Лекция 14. ПЛИС серии Virtex 4

Семейство Virtex-4 было анонсировано фирмой Xilinx в июне 2004 года, и нужно сказать, что новый продукт заставляет в какой-то мере пересмотреть позиции в отношении ПЛИС вообще и высокопроизводительных ПЛИС в частности. Прежде всего, 90-нанометровый техпроцесс (который ранее был использован в ПЛИС Spartan-3, доступных уже с начала 2004 года) позволил в полной мере использовать возможности самой современной производственной базы. Это означает как высокие частоты, так и большую плотность компонентов на кристалле. Кроме того, использование 300-миллиметровых пластин позволило Xilinx существенно уменьшить цены на новое семейство (от $39 за штуку в партиях). Повышение максимальной тактовой частоты, увеличение логического объема и снижение цены вообще является обычным для производителей ПЛИС, и в случае Virtex-4 позволяет по-новому взглянуть на перспективы использования данного семейства. В обзоре Xilinx, посвященному Virtex-4, указывается, что за последнее десятилетие объем ПЛИС увеличился в 250 раз, рабочие частоты — в 25, пропускная способность памяти — в 800, а пропускная способность внешних интерфейсов — в 1000. Одновременно с этим нормализованная стоимость ПЛИС уменьшилась в 300 раз.

Немаловажным нововведением является разделение нового семейства на 3 подгруппы. Подгруппа LX ориентирована на преимущественное использование в проектах логических ячеек (хотя блоки цифровой обработки сигналов имеются в этих ПЛИС в достаточном количестве), устройства SX предназначены для обработки сигналов и предоставляют очень большое для ПЛИС количество блоков DSP. Наконец, к подгруппе FX относятся «полнофункциональные» (Full-featured) ПЛИС, имеющие на кристалле процессорные ядра PowerPC, аналогичные используемым в Virtex-II Pro. Однако дополнительные устройства, имеющиеся только в Virtex-4 FX, заслуживают отдельного упоминания. Прежде всего, это модули Ethernet со скоростями 10/100/1000 Мбит/с. Плюсы размещения этих модулей на кристалле очевидны — обеспечивается высокая скорость обмена (что тем более актуально для ПЛИС большого объема, интенсивно обрабатывающих потоки данных), уменьшается количество внешних компонентов, повышается общая надежность системы. Наконец, добавлено устройство, которое можно считать знаковым в мире FPGA — аналого-цифровой преобразователь. Конечно, программируемые аналоговые устройства существуют уже достаточно давно (например, среди продукции фирм Cypress и Lattice), однако помещение АЦП на кристалл большой логической емкости открывает совершенно иные перспективы. Следует отметить, что блоки АЦП пока размещаются только в старших устройствах Virtex-4 FX, имеют разрядность 10 бит и скорость преобразования 200 kSps. Таким образом, эти АЦП подходят больше для мониторинга параметров системы, чем для сколько-нибудь производительных и точных измерений. Можно заметить, что для мониторинга в этих ПЛИС предусмотрен отдельный аппаратно реализованный блок.

Соотношение между имеющимися ресурсами можно проиллюстрировать материалами с сайта Xilinx, где наглядно показывается принцип выбора соотношения ресурсов в ПЛИС Virtex-4 (рис. 2).

Рис. 2

Концепция «системы-на-кристалле» имеет очень важное преимущество с точки зрения быстрой разработки устройств. Давно известно, что технология ПЛИС обеспечивает существенное сокращение сроков разработки и внесения изменений в готовый проект за счет сквозного маршрута проектирования и программирования устройств. В проектах типа «микроконтроллер + ПЛИС + память + аналоговые устройства» этим обеспечивалось ускорение проектирования по крайней мере одного из компонентов. Однако современные ПЛИС Virtex уже сейчас обеспечивают размещение на кристалле процессора, матрицы программируемых ячеек и памяти достаточно большого объема. Таким образом, в рамках одного устройства оказывается возможным реализовать практически всю цифровую часть проекта.

Здесь можно добавить, что внутрикристальные соединения обеспечивают как более высокую скорость обмена данными, так и большую надежность по сравнению с печатными проводниками, соединяющими ПЛИС с другими цифровыми компонентами. Соответственно, существенно облегчается решение целого ряда технологических проблем, связанных с проектированием печатных плат.

Характеристики ПЛИС Virtex-4 приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Дата добавления: 2014-01-07