· наличие внутреннего распределённого ОЗУ Xilinx, реализующегося посредством тех же LUT – таблиц (серии Spartan, Virtex, XC4000).
· наличие внутреннего блочного ОЗУ, один блок имеет ёмкость 4 кбит (семейства Virtex, Virtex-E, Spartan-II, Spartan-IIE) или 18 кбит (семейства Virtex-II и Virtex-IIPro), всего блоков до 556 на кристалл
· наличие встроенных блоков умножителей 18х18 (семейства Virtex-II и Virtex-IIPro), всего блоков до 556 на кристалл
· наличие встроенных блоков процессоров PowerPC-405 (семейство Virtex-IIPro), до 4 процессоров на кристалл
· наличие высокоскоростных трансиверов(семейство Virtex-IIPro), до 24 со скоростью передачи данных 3.125 ГБит/с каждый
Процесс конфигурации
Конфигурационная последовательность (bitstream) может быть загружена в прибор непосредственно в системе и перегружена неограниченное число раз. Инициализация ПЛИС производится автоматически (из загрузочного ПЗУ Xilinx) при подаче напряжения питания или принудительно по специальному сигналу. В зависимости от ёмкости ПЛИС процесс инициализации занимает от 20 до 900 мс, в течение которых выводы ПЛИС находятся в высокоомном состоянии (подтянуты к логической единице).
Потребление энергии
Статическое потребление энергии достаточно мало и для некоторых серий составляет единицы микроватт. Динамическое же потребление пропорционально возрастает с частотой функционирования проекта и зависит от степени заполнения кристалла, характера логической структуры проекта на кристалле, параметров режима внешних выводов ПЛИС и т. д.
Корпуса
Для каждого отдельно взятого семейства ПЛИС Xilinx существует преемственность кристаллов по типу корпуса и, соответственно, цоколёвке, то есть в одни и те же корпуса упаковываются ПЛИС различного логического объёма. Например, в корпусе PQ/HQ240 имеются ПЛИС с ёмкостью от 13тыс. (XC4013XLA) до 85 тыс. вентилей (XC4085XLA), что позволяет разработчику, задавшись на этапе проектирования печатной платы определённым типом корпуса, в дальнейшем устанавливать ПЛИС наиболее подходящего размера.
ПЛИС Actel – основа при реализации «SoC» бортовой аппаратуры
Сегодня в России, как и во всем мире, подходы к созданию электронных устройств и систем, работающих в тяжелых условиях эксплуатации, существенно меняются. Основная тенденция – переориентация на специализированные изделия с сокращенным циклом проектирования и производства, что позволяет достигать максимальной эффективности при выполнении конкретных задач управления, контроля и сбора информации.
На передний план выходит концепция построения «системы на кристалле» (System on Chip – SoC). Наиболее серьёзное препятствие для ее реализации – это, безусловно, высокая стоимость изготовления СБИС такого типа. Их разработка, отладка и освоение производства требуют значительных затрат, поэтому ощутимый экономический эффект можно получить только при выпуске больших партий этих изделий – как правило в сотни тысяч устройств. Однако сегодня для построения «системы на кристалле» появилась экономически эффективная альтернатива СБИС – программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Новые поколения этих микросхем способны конкурировать со СБИС как по числу вентилей, быстродействию и надежности, так и по функциональности. Более того, сейчас на рынок выпущены матрицы, не требующие внешних средств для хранения и загрузки конфигурации и готовые к работе с момента подачи питания, что до сих пор считалось исключительным преимуществом СБИС.
Внедрение концепции «системы на кристалле» признано одним из приоритетных направлений развития отечественной электроники, определяющим, по сути, технологию построения будущих поколений бортовой аппаратуры. «Система на кристалле» имеет три принципиальные особенности: o в одной микросхеме технологической платформы (как правило, СБИС или ПЛИС сверхвысокой степени интеграции) реализован функционально законченный набор модулей управления и обработки данных;
- встроенный микропроцессор ориентирован преимущественно на выполнение задач управления, а не обработки данных;
- поток данных в системе организован непосредственно между контроллерами, а не через микропроцессорную шину.
Среди основных достоинств правильно спроектированной «системы на кристалле» следует выделить максимальную эффективность в решении прикладных задач. Это обусловлено глубокой оптимизацией внутренней структуры и отсутствием избыточности, характерной для систем, построенных на основе универсальных компонентов. А высокая оптимизация определяет высокую экономическую эффективность подобных решений как за счет прямой экономии (снижение числа компонент на плате, уменьшение площади печатной платы и пр.), так и за счет косвенной экономии (меньшего энергопотребления, повышения надежности, производительности, уменьшения объема аппаратной отладки и пр.).
Реализованная на базе высоконадежной и высокоскоростной ПЛИС «система на кристалле» помимо всех достоинств, присущих решениям на основе СБИС, имеет важные дополнительные преимущества:
- значительное сокращение расходов на изготовление микросхем и экономический эффект при реализации проектов малой и средней серийности (до десятков тысяч штук);
- существенное сокращение сроков выпуска новых изделий на рынок (time to market);
- гибкая конфигурируемость системы в соответствии с текущими нуждами конкретного проекта и задачами упрощения модификации; – повышенная надежность изделия благодаря 100%-ному тестированию производителем регулярной структуры платформы;
- возможность высокоэффективной внутрикристальной отладки;
- возможность прототипирования изделий для особых условий эксплуатации на основе функционально идентичных, но более дешевых коммерческих исполнений платформы.
Один из самых успешных разработчиков и производителей в области новых технологий ПЛИС высокой надежности, используемых в тяжелых условиях эксплуатации, – Actel Corp. (www.actel.ru), специализирующаяся с 1985 года на производстве ПЛИС как для военных и авиационно-космических приложений, так и для нужд промышленности и потребительского рынка. Компания прочно занимает место в первой тройке мировых производителей ПЛИС общего назначения и уже много лет лидирует на рынке радиационно стойких ПЛИС, выпуская до 80% мирового объема этих изделий для бортового оборудования космических аппаратов. Actel непрерывно вкладывает значительные средства в совершенствование своих технологий. Наивысшие приоритеты развития сегодня – это надежность, которая всегда отличала продукцию корпорации, и обеспечение комплексной интеграции цифровой электроники на одном кристалле ПЛИС.
Сегодня Actel предлагает три основные группы изделий:
- многократно программируемые ПЛИС на основе Flash-технологии;
- однократно программируемые ПЛИС на основе технологии прожигаемых перемычек (Antifuse);
- радиационно стойкие ПЛИС с уникальными характеристиками на основе технологии Antifuse.
Как однократно, так и многократно программируемые ПЛИС компании Actel последних поколений благодаря своей уникальной архитектуре и функциональности, приближенной к СБИС, а также высоким показателям надежности идеально подходят для построения «систем на кристалле».
Основное отличие ПЛИС компании от традиционных матриц на основе ячеек СОЗУ – это способ хранения конфигурации. Элементы памяти (перемычки в семействах Antifuse и флэш-ключи в семействах Flash) ПЛИС Actel распределены по всей площади кристалла и являются одновременно ключами, задающими конфигурацию. Такое технологическое решение позволяет избавиться от потенциально ненадежной коммутационной матрицы (ГКМ) на основе ячеек СОЗУ, не защищенных от высокоэнергетических частиц, воздействующих на электронные устройства даже на уровне моря, а также отказаться от всех элементов, участвующих в процессе загрузки конфигурации. На сегодняшний день аналогов этой технологии нет.
Рассмотрим современные семейства ПЛИС, предлагаемые компанией Actel. Новые семейства однократно программируемых ПЛИС, выполненных по технологии Antifuse, характеризуются следующими особенностями:
- рекордной надежностью – FIT, или число отказов/сбоев на 109 ч наработки не более 10;
- чрезвычайно низким энергопотреблением;
- большой логической емкостью – до 4 млн. системных вентилей;
- рекордной системной производительностью – свыше 500 МГц;
- отсутствием процесса загрузки конфигурации и готовностью к работе с момента подачи питания;
- защищенностью от воздействия высокоэнергетических частиц (даже у коммерческих изделий) – свыше 60 МэВ/см2 и высокой радиационной стойкостью – накопленная доза (TID) более 300 крад;
- отсутствием возможности несанкционированного считывания конфигурации – конфигурация защищена технологией FuseLock, при запуске нет конфигурационной последовательности (bit-stream);
- доступом специализированного логического анализатора к любому элементу работающей схемы без затрат трассировочных ресурсов самой ПЛИС;
- широким выбором поддерживаемых стандартов ввода-вывода -LVDS, HSTL1, SSTL2/3, GTL+, LVTTL, LVCMOS, LVPECL;
- полной совместимостью по корпусам изделий различной емкости и в различном исполнении: от коммерческих до выполненных в соответствии со стандартом MIL-STO-883B и радиационно стойких;
- высокой экономической эффективностью.
ПЛИС, выполненные по технологии Antifuse, объединяют в себе достоинства традиционной программируемой логики и базовых матричных кристаллов (БМК) и позволяют потребителю производить БМК непосредственно «у себя на столе». Но неопытных разработчиков иногда отпугивают трудности применения однократно программируемых матриц, которые невозможно проектировать по популярному циклическому маршруту «написал-прошил-посмотрел». Для подобного стиля работы Actel предлагает многократно программируемые матрицы. При этом следует отметить, что все изделия Actel изначально ориентированы на применение классического маршрута проектирования СБИС на языках описания оборудования высокого уровня (HDL).