Fpga-программируемые пользователем вентильные матрицы

7.4.1. АРХИТЕКТУРА И БЛОКИ FPGA

Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA или ППВМ) топологи­чески сходны с канальными БМК. Их основой служит матрица регулярно расположенных по строкам и столбцам идентичных конфигурируемых логических блоков. Между строка­ми и столбцами логических блоков проходят трассировочные каналы, содержащие ресурсы межсоединений. При программировании логические блоки настраиваются на тре­буемые операции преобразования данных, а трассировочные ресурсы - на обеспечение нужных взаимных соединений логических блоков. В результате во внутренней области FPGA реализуется функциональная схема проектируемого устройства. В периферийной области кристалла, по его краям, размещены блоки ввода/вывода, обеспечивающие ин­терфейс FPGA с другими микросхемами, причем в современных FPGA схемы ввода/ вывода способны выполнять требования множества стандартов на сигналы передачи данных, число которых может доходить до 20.

Свойства и возможности FPGA зависят прежде всего от ключевых архитектур­ных факторов — типа логических блоков и системы межсоединений.

Важной характеристикой логических блоков (ЛБ) является зернистость (granularity). Зернистость характеризует уровень разбиения схемы блока на коммутируемые при про­граммировании части. Примерами наиболее мелкозернистых логических блоков могут служить цепочки транзисторов с р- и n-каналами, с помощью которых можно собирать логические схемы непосредственно из пар транзисторов по обычной методике реализа­ции КМОП-логики. Мелкозернистость придает гибкость использованию схемных элемен­тов кристалла, но усложняет систему межсоединений. Более крупнозернистые блоки используются в большинстве FPGA и имеют довольно разнообразный характер.

Типичными представителями логических блоков FPGA являются:

• логические модули на основе мультиплексоров;

• логические модули на основе программируемой памяти (блоки типа LUT- Look-Up Tables).

В некоторых FPGA применяют логические блоки, состоящие из нескольких малораз­мерных Известно, что мультиплексоры могут работать в режиме универсальных логических модулей, если на их адресные входы подавать аргументы переключательной функции, а на информационные -настроечные сигналы. При настройке константами 0 и 1 мульти­плексор размерности 2ⁿ - 1 воспроизводит функции п переменных, что иллюстрируется на рис. 7.11, а примером для функции двух переменных. Действительно, комбинация х₁х₀ = 00 определяет передачу на выход мультиплексора сигнала DO с нулевого инфор­мационного входа. Если на этом входе задано в качестве настроечного сигнала значение функции при нулевом аргументе F(0), то на выходе получим искомый результат. Комбинация х₁х₀ = 01 передает на выход сигнал D1, и если D1 = F(1), то получим необходимый результат и для этого набора аргументов и т. д. Таким образом можно получать с помощью мультиплек­сора любую функцию n аргументов.

В некоторых FPGA применяют логические блоки,состоящие из нескольких мультиплексоров (2-1,4-1), получая при этом программируемые логические блоки с широкими логическими возможностями.

Самые распространенные логические блоки FPGA - табличные (LUTs). Эти блоки называют часто табличными функциональными преобразователями. В них используют­ся программируемые запоминающие устройства. При этом набор аргументов служит ад­ресом, по которому записывается соответствующее значение функции, если память имеет одноразрядную организацию, или значения m функций, если разрядность хранимых слов равна т. Число аргументов воспроизводимых функций равно разрядности адреса памя­ти. Табличные функциональные преобразователи (рис. 7.11, б) воспроизводят любые функции данного числа аргументов.

Для систем межсоединений FPGA характерны сегментированные линии, составлен­ные из отдельных отрезков, соединяемых друг с другом программируемыми элемента­ми. Программируемые соединительные элементы могут быть размещены в так называе­мых переключательных блоках, конфигурируемых так, чтобы составить из сегментов не­обходимые цепи. Программируемые соединительные элементы (ключи) вносят в линии передач сигналов задержки, так как имеют паразитные параметры (сопротивление R и емкость С). Задержки, обусловленные постоянными времени ключей RC, доминируют над другими, так что число ключей в линии передачи сигнала практически определяет и задержку в линии связи.

Выбор длин сегментов - непростая задача, поскольку короткие сегменты затрудняют передачи сигналов на большие расстояния (появится большое число ключей в линии), а длинные сегменты неудобны для реализации коротких передач. Обычно применение однотипных сегментов не может дать удовлетворительных результатов, и система межсо­единений организуется как иерархическая. Так, например, в широко известных FPGA фир­мы «Xilinx» ресурсы межсоединений содержат основные связи (General Purpose Interconnects) с сегментами единичной длины, основные связи с сегментами двойной дли­ны, так называемые прямые связи для соединения логических блоков с ближайшими сосе­дями (Direct Connects) и длинные линии (Long Lines), пересекающие кристалл по всей его длине и ширине для передач сигналов на большие расстояния и с малыми задержками.

На рис. 7.12, а представлена структура FPGA с простейшей системой межсоединений, содержащей только основные связи с единичной длиной сегментов. Через ЛБ обозначены

конфигурируемые логические блоки (для краткости принято обозначение ЛБ, в котором конфигурируемость не обозначена, также обозначаются конфигурируемые логические блоки и в дальнейшем). В структуру входят также переключательные блоки ПБ и соединитель­ные блоки СБ. Соединительные блоки обеспечивают связи ПБ с трактами передач сигна­лов, проходящими через переключательные блоки.

В сущности, это совокупность пересечений линий ввода/вывода логических блоков с линиями, проходящими через переключательные блоки, с элементами программируемых соединений в точках пересечений. Схема ПБ раскрыта на рис. 7.12, б. Сигналы, поступаю­щие по какой-либо линии в ПБ, могут быть направлены далее по трем направлениям, что обеспечивается наличием в ПБ показанных зачерненными квадратами схем, представ­ленных на рис. 7.12, в. Иными словами, сигналы могут передаваться по горизонтальным или вертикальным линиям и переходить с одних на другие.

Ресурсы межсоединений в FPGA в полном виде показаны на рис. 7.13 на примере микросхемы ХС4000Е фирмы «Xilinx» . Здесь наряду с основными связями единичной длины (восемь линий в каждом из направлений) имеются основные связи с линиями двойной длины (четыре линии в каждом из направлений), шесть вертикальных и шесть горизонтальных длинных линий и четыре линии глобального, т. е. общего для всей мик­росхемы тактирования.

В сегментированных линиях межсоединений задержки сигналов зависят от путей их распространения, так как пути неидентичны и в них может оказаться разное число ключей.

7.4.2. ПОПУЛЯРНЫЕ FPGA ФИРМЫ «XILINX»

Логический блок семейства FPGA XC4000E фирмы «Xilinx» (рис. 7.14) иллюстрирует характерные особенности подобных блоков. Фирма «Xilinx» является ведущей в области разработки FPGA, ее продукция занимает 30-40% мирового рынка микросхем програм­мируемой логики, ею был создан перспективный класс FPGA с триггерной памятью кон­фигурации.

Заметим предварительно, что на рис. 7.14 программируемость не отражена в обозна­чениях мультиплексоров, так как все они являются программируемыми.

Логические преобразования выполняются тремя табличными преобразователями: G, F и Н. Преобразователи G и F представляют собою программируемые запоминающие устройства с организацией 16 х 1 и могут воспроизводить любые функции четырех пере­менных. Через нижние входы мультиплексоров 1 и 2 выходы преобразователей G и F могут быть поданы на преобразователь Н (память с организацией 8 х 1) для образования «функции от функций» с целью получения функций, зависящих от более чем четырех аргументов. Преобразователь Н может также использоваться как третий независимый генератор функций со входами НО, Н1 и Н2, если через мультиплексоры 1 и 2 передают­ся сигналы их верхних входов. Имеется возможность добавления в число аргументов преобразователя Н входного сигнала DIN. Таким образом, два из входов преобразовате­ля Н могут быть альтернативно заданы как внешние входы или выходы преобразовате­лей G и F, третий же вход Н1 всегда является внешним.

Как видно из схемы, на выход Y в зависимости от программирования мультиплексора 4 могут подаваться значения функций G или Н, а на выход X в зависимости от програм­мирования мультиплексора 6 - значения функций F или Н.

С помощью имеющихся функциональных преобразователей можно получать различ­ные результаты: три отдельные функции независимых переменных (две от четырех аргу­ментов и одну от трех при запоминании одного из выходов триггером), любую функцию пяти переменных, некоторые функции большего числа переменных (вплоть до девяти).

В зависимости от программирования мультиплексоров 3 и 5 триггеры принимают дан­ные от функциональных преобразователей или внешнего входа DIN.

Сигнал тактирования триггеров К поступает от общего входа через мультиплексоры 7 и 8, программирование которых позволяет индивидуально выбирать полярность фронта, тактирующего триггер. Сигнал разрешения тактирования ЕС (Enable Clock) также поступает от общего входа. Благодаря наличию мультиплексоров 9 и 10 можно либо пользоваться сигналом ЕС, либо постоянно разрешить тактирование сигналом логической единицы.

Триггеры имеют асинхронные входы установки SD (Set Direct) и сброса RD (Reset Direct), один из которых через программируемый селектор S/R может быть подключен к сигналу SR, который, в свою очередь, может программироваться для подключения к любому из внешних выводов С1-С4. Возможно подключение к разным линиям С1-С4 и для выхо­дов других мультиплексоров верхней строки (на рисунке не пронумерованы).

Блок ввода/вывода микросхем ХС4000Е (рис. 7.15) имеет два канала - для ввода сигналов и для вывода. В каждом канале возможна как прямая передача сигнала, так и с запоминанием его в триггере в зависимости от программирования мультиплексоров 7 и 4.

При переводе буфера 1 в третье состояние выходной контакт не должен оставать­ся разомкнутым, так как в этом случае на нем может накапливаться неконтролируемый заряд в силу чрезвычайно высокого входного сопротивления МОП-транзистора. Подклю­чение к выходу одного из резисторов R либо «подтягивает» потенциал выхода к высоко­му уровню напряжения, либо привязывает его к нулевой точке. Вследствие своей высокоомности подключенные к выходу сопротивления R не оказывают заметного влияния на режимы работы при использовании выхода для передачи сигналов. Выбор между двумя вариантами задания потенциала разомкнутому выходу программируется элементами памяти конфигурации в схеме U/D (Up/Down). Выходной буфер 1 имеет регулировку кру­тизны фронта SLR (Slew Rate). Можно выбрать одно из двух значений скорости измене­ния выходного сигнала, для чего в схеме имеется элемент памяти SLR. Везде, где это приемлемо, желательны пологие фронты для снижения уровня помех, возникающих при переключениях буферов.

Если вывод работает в режиме входа (буфер 1 в третьем состоянии, буфер 2 акти­вен), то внешний сигнал может подаваться в схему либо напрямую, либо через триггер, либо в обоих вариантах одновременно. В последнем случае блок ввода/вывода может демультиплексировать внешние сигналы (например, для шин адресов/данных сохранить принятый адрес в триггере и передавать данные по прямому входу). Синхросигналы триг­геров различны для входного (CLKI) и выходного (CLKO) триггеров. Их полярности, как и полярность выходного сигнала О (Output), могут программироваться соответствующими мультиплексорами.

Сигнал на входе триггера 2 можно специально задерживать на несколько наносекунд программированием мультиплексора 8. Это сделано для такого подбора временного положения сигнала относительно тактирующего импульса, который обеспечивает ком­пенсацию задержек в цепях распределения синхросигналов.