Обзор современных плис и САПР фирмы Xilinx Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

По материалам фирмы ХШпж I Обзор современных ПЛИС и САПР

Перевод:

xilinx@plis.ш I фирмы Xilinx

Программируемые устройства Xilinx

С 1984 года, когда впервые в мире Xilinx выпустила программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) с архитектурой FPGA (Field Programmable Gate Array), и по настоящее время компания является ведущим мировым производителем микросхем программируемой логики. Технологии Xilinx предоставляют возможность производителям электронного оборудования минимизировать риски за счет сокращения времени на разработку новой продукции и сроков ее выхода на рынок. Разработчики могут проектировать и заниматься отладкой своих уникальных устройств на базе ПЛИС Xilinx гораздо быстрее, чем при использовании традиционных методов, при которых микросхемы получают фиксированную структуру в момент их изготовления. Более того, поскольку ПЛИС Xilinx представляют собой готовые к программированию стандартные изделия, разработчикам не требуется ждать изготовления прототипов или идти на существенные затраты для подготовки производства, как при использовании фиксированной логики или ASIC (Applications Specific Integrated Circuit). В настоящее время продукция Xilinx находит самое широкое применение — от телекоммуникаций и потребительской электроники до автомобильного и промышленного оборудования.

Сущность рынка ПЛИС

В развитии полупроводниковой отрасли существуют две важные тенденции: эволюция технологического процесса производства микросхем, которая позволяет и впредь следовать закону Мура и снижать стоимость изделий, а также увеличение производительности и уменьшение стоимости программируемых микросхем, что разрешает достичь беспрецедентного уровня настройки и гибкости при весьма доступном уровне цен. Следуя этим тенденциям, Xilinx работает в различных сегментах рынка электронного оборудования и делает свою продукцию пригодной для все более широкого спектра применений.

Производители устройств обработки данных, потребительской электроники, коммуникационных устройств, систем промышленной автоматизации, измерительных систем, устройств оборонного и аэрокосмического комплекса используют ПЛИС Xilinx в качестве основы своих проектов.

ПЛИС FPGA Virtex фирмы Xilinx

Серия Virtex придала новый смысл понятию «программируемая логика», значительно расширив традиционные возможности FPGA, выведя их на новый уровень интеграции и технических характеристик, отвечающих запросам проектировщиков высокопроизводительных систем. К наиболее современному поколению ПЛИС относится семейство Virtex-4, уникальность которого основана на использовании архитектуры ASMBL (Advanced Silicon Modular Block), базирующейся на колонках модульных логических блоков. Это семейство включает три платформы — LX, FX и SX, отличающихся различными комбинациями функциональных параметров (что позволяет сделать правильный выбор при реализации сложных приложений различного назначения), а также наличием широкого спектра встроенных аппаратных IP-ядер, позволяющих создать законченные решения системного уровня. Набор IP-ядер предусматривает процессоры PowerPC (с новым интерфейсом APU), трехрежимный Ethernet MAC, 622 Мбит/с — 10 Гбит/с последовательные приемопередатчики, выделенные DSP-блоки, блоки управления тактовыми сигналами высокой частоты и синхронизированные интерфейсные блоки. Базовые блоки Virtex-4 представляют собой дальнейшее улучшение аналогов предыдущих семейств Virtex — Virtex, Virtex-E, Virtex-II, Virtex-II Pro и Virtex-II Pro X, обеспечивая совместимость «снизу вверх» с уже существующими разработками. Гибко сочетая в себе широкий спектр различных функциональных па-

||

І

раметров, семейство Virtex-4 позволяет успешно реализовывать сложные проекты на базе программируемой логики в качестве хорошей альтернативы технологии ASIC, соизмеримой с ней по затратам на разработку. Основные преимущества FPGA Virtex — возможность упрощения топологии печатной платы, сокращение номенклатуры комплектующих и сроков выхода изделия на рынок.

ПЛИС FPGA Spartan фирмы Xilinx предназначены для недорогой крупносерийной продукции. Обеспечивая диапазон логической емкости от 50 тыс. до 5 млн системных вентилей, наиболее современная 90-нм платформа Spartan-3, созданная для реализации недорогих решений, является самой дешевой в мире среди FPGA.

Благодаря ПЛИС Spartan-3 Xilinx проникает в те сегменты рынка продукции массового спроса, которые ранее считались оптимальными для применения ASIC среднего уровня. Эффективное использование преимуществ 90-нм технологии позволяет проводить агрессивную ценовую политику, предлагая потребителям емкие и функциональные FPGA с низкой стоимостью. Семейство Spartan-3 пользуется большой популярностью среди производителей электроники в различных сферах рынка, таких как потребительская электроника, цифровое видео, промышленное, медицинское и коммуникационное оборудование. Последним по времени появления является семейство Spartan-3E, обеспечивающее логическую емкость до 1,6 млн системных вентилей, до 376 программируемых выводов и гибкую архитектуру с наименьшей по отрасли стоимостью одного логического вентиля, и семейство Spartan-3L, разработанное для достижения минимального уровня энергопотребления и имеющее минимальный общий уровень потребления энергии в своем классе. При использовании этих ПЛИС можно добиться снижения потребляемой мощности в статике на 98%, что позволяет применить более дешевые устройства охлаждения, уменьшить габариты устройства и повысить надежность системы в целом.

ПЛИС CPLD CoolRunner фирмы Xilinx сочетают крайне низкую потребляемую мощность с высокой скоростью, большой логической емкостью и большим числом программируемых выводов на одно устройство. Последнее семейство CoolRunner-II работает от напряжения 1,8 В, используя второе поколение технологии Fast Zero Power (FZP), что обеспечивает наилучшую производитель-

ность при наименьшем возможном уровне энергопотребления. ПЛИС CPLD (Complex Programmable Logic Device) CoolRunner-II имеют на 100% цифровое ядро, в отличие от всех других традиционных ПЛИС серий CPLD, где используются методы усилителя считывания для реализации логических произведений (которые применяются со времен биполярных технологий), в кристаллах серии CoolRunner XPLA3 применяются каскадные цепи КМОП-вентилей. ПЛИС CoolRunner-II имеют также улучшенные системные возможности с поддержкой множества современных электрических стандартов ввода/вывода, включая LVCMOS, HSTL и SSTL, производительность свыше 300 МГц и статический ток менее 100 мкА. Доступная логическая емкость CPLD CoolRunner-II находится в пределах 32-512 макроячеек, что пригодно для широкого спектра применений.

Интегрированные программные продукты Xilinx

Для Xilinx программные средства являются ключевой частью решений программируемой логики. С момента появления на рынке, Xilinx продал более 150 тыс. лицензий своей САПР ISE по всему миру. Xilinx также предлагает для разработчиков многочисленные программные средства, доступные через Интернет. Эти программные средства позволяют спеицалистам получать мгновенный прямой доступ к технической поддержке на сайте Xilinx. Предлагаемые Xilinx средства проектирования являются наиболее быстрыми по отрасли и обеспечивают уровень производительности, до 70% превышающий производительность конкурирующих средств проектирования для FPGA.

Новшества Xilinx в области средств проектирования, ориентированные на новые семейства ПЛИС

Программное обеспечение ISE фирмы Xilinx давно известно как средство, обеспечивающее высокую производительность разрабатываемых устройств с программируемой логикой, при этом ISE является простым в освоении и недорогим продуктом. В версии программного обеспечения ISE 8.1i Xilinx представляет новую технологию ISE Fmax, которая, как следует из ее названия, разработана для повышения производительности создаваемых устройств на базе ПЛИС и устранения узких мест проектов. Использование разработчиками более развитых средств, таких как ПО для разработки и анализа проектов PlanAhead, системы аппаратной отладки в реальном времени ChipScope Pro, САПР ISE позволяет значительно сократить сроки реализации проектов.

Не будет преувеличением сказать, что для разработчиков, использующих ПЛИС FPGA

или CPLD, наступили хорошие времена. Для проектов с большим логическим объемом и высокой производительностью Xilinx предлагает семейство ПЛИС Virtex-4 — это аппаратная платформа для реализации наиболее сложных проектов. Для крупносерийных проектов предлагаются семейство Spartan-3 и ПЛИС CPLD, которые предназначены для разработки изделий, рассчитанных на большие тиражи при низкой стоимости. Одновременно Xilinx предоставляет разработчикам полноценный набор средств проектирования, позволяющих раскрыть всю мощь аппаратных решений.

Конфигурация ISE

Разработчикам, желающим освоить ISE, достаточно обратиться к пакету ISE WebPACK. Например, ISE WebPACK 8.1i является бесплатным, свободно загружаемым через Интернет средством проектирования, которое обеспечивает сквозной маршрут проектирования для ПЛИС FPGA и CPLD. Эта САПР включает синтез и моделирование на HDL, размещение и трассировку проектов, а также программирование кристаллов по JTAG-интерфейсу. ISE WebPACK обеспечивает простую в освоении и полнофункциональную среду проектирования, как и отмеченная призами САПР Xilinx ISE Foundation, только бесплатно. Таким образом, компанией Xilinx разработано удобное для работы средство проектирования — его легко актуализировать путем загрузки обновлений или полной инсталляции из одного файла.

ISE Foundation — полнофункциональная версия программного обеспечения ISE, сочетающая поддержку всех ведущих семейств ПЛИС FPGA и CPLD фирмы Xilinx. Это наиболее полное средство проектирования для устройств с программируемой логикой, обеспечивающее оптимальную производительность, управление потребляемой мощностью, снижение стоимости изделия, а также имеющее лучшую по отрасли службу технической поддержки Xilinx. ISE Foundation также поддерживает методологию частичного реконфигурирования, что позволяет уменьшить размер проектируемого устройства, его массу, потребляемую мощность и стоимость. И ISE Foundation, и ISE WebPACK в настоящее время поддерживают технологию Fmax, которая обеспечивает повышение производительности до 70% для ПЛИС Virtex-4 по сравнению с аналогичными решениями других фирм.

• Алгоритмы синтеза нового поколения предусматривают технологию, определяемую термином retiming; отображение проекта на физические ресурсы с учетом заданных временных параметров; глобальную оптимизацию и оптимизацию по итогам размещения.

• Повышение производительности на 37% при использовании новой версии САПР

в режиме «по умолчанию» (при незаданных физических ограничениях) по сравнению с предыдущими версиями.

• Утилита Xplorer — бесплатное, простое в использовании программное средство, обеспечивающее 10%-ный прирост производительности для проектов с временными ограничениями.

Помимо ISE Foundation и WebPACK компания Xilinx предлагает пакет дополнительных средств разработки, предназначенный для проектирования на системном уровне, достижения максимальной производительности, а также отладки и анализа проектов.

Программное обеспечение PlanAhead позволяет разработчикам анализировать топологию кристалла и улучшать производительность проектов. PlanAhead упрощает переход между синтезом и трассировкой проектов, обеспечивая существенное уменьшение количества и длительности итераций повторного проектирования. PlanAhead предоставляет возможность взглянуть изнутри на процесс размещения и трассировки и быстро проверить «ачто будет, если...», предлагая таким образом быстро идентифицировать и устранить проблемы. В сочетании с ISE 8.1i разработчики могут получить до 30% прироста производительности по сравнению с аналогичными решениями, в то время как для сложных проектов с несколькими тактовыми доменами можно ожидать до 56% прироста.

ChipScope Pro — лучшая на рынке ПЛИС FPGA система внутрисхемной отладки. Она работает посредством внедрения в проект IP-ядер логического анализатора, шинного анализатора и виртуального ввода/вывода, позволяя наблюдать за любым заданным внутренним сигналом или узлом, включая встроенные аппаратные или софт-процессоры. Сигналы захватываются со скоростью, допустимой хост-компьютером, и передаются через интерфейс JTAG, освобождая таким образом программируемые выводы ПЛИС для использования разработчиком. Можно отметить, что по интерфейсу JTAG производится и программирование ПЛИС, соответственно, для отладки не требуется какое-либо дополнительное оборудование.

Захваченные сигналы могут быть проанализированы с помощью логического анализатора, входящего в состав ChipScope Pro. Также ChipScope Pro совместима по интерфейсу с тестовым оборудованием Agilent, что позволяет обеспечить больше памяти для хранения данных тестирования, более высокие тактовые частоты и широкие дополнительные возможности, а кроме того, использует всего несколько выводов FPGA.

Xilinx System Generator for DSP быстро стал весьма популярным инструментом для разработки и отладки высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов. Он позволяет использовать наибо-

лее производительные из имеющихся на рынке FPGA фирмы Xilinx.

Этот инструмент обеспечивает высокоуровневое представление проекта, абстрагированное от конкретной аппаратной платформы, которое автоматически компилируется в FPGA «одним нажатием кнопки», без потерь в производительности по сравнению с проектами, реализованными на языках более низкого уровня, таких как VHDL. System Generator является частью технологии XtremeDSP фирмы Xilinx, которая объединяет самые современные FPGA, средства разработки, IP-ядра, а также обеспечивается поддержкой центров разработки проектов и центров обучения Xilinx.

Xilinx Embedded Development Kit

(EDK) — интегрированный программный пакет для сквозной разработки встраиваемых программируемых процессорных систем. Этот пакет включает программное средство Platform Studio, всю необходимую документацию и IP-ядра, которые могут потребоваться для разработки встраиваемых систем на основе FPGA фирмы Xilinx

с встроенными аппаратными ядрами процессора PowerPC и/или софт-процессорами MicroBlaze.

В дополнение к вышеперечисленным средствам проектирования Xilinx предлагает ModelSim Xilinx Edition-III, сокращенную версию очень популярного в отрасли средства моделирования, и интерфейсы ко всем САПР других известных фирм. На примере столь исчерпывающего набора средств разработки становится понятно, почему по оценкам независимых экспертов программное обеспечение Xilinx регулярно занимает первые места среди средств проектирования, теперь у разработчиков появилась возможность бесплатно освоить и оценить полную мощь средств проектирования Xilinx.

В маршрут проектирования САПР ISE интегрируются продукты сторонних производителей, поэтому можно использовать передовые средства синтеза логических схем таких фирм, как Mentor Graphics, Cadence, Synplicity. Ввод проекта осуществляется самыми разными способами — начиная от графического ввода схем и заканчивая со-

временными языками описания аппаратуры (VHDL, Verilog). Можно использовать и высокоуровневые языки описания аппаратуры (HLL, High Level Languages), такие как System C, Handel C, и им подобные.

Для ознакомления с принципами работы ПЛИС и САПР фирмы Xilinx выпущена серия книг по этой тематике:

1) Зотов В. Ю. Проектирование цифровых устройств на основе ПЛИС фирмы Xilinx в САПР WebPack ISE. — М.: Горячая линия-Телеком, 2003. — 624 с., ил.

2) Кузелин М. О., Кнышев Д. А., Зотов В. Ю. Современные семейства ПЛИС фирмы Xilinx. Справочное пособие. — М.: Горячая линия-Телеком, 2004. — 440 с., ил.

3)Тарасов И. Е. Разработка цифровых устройств на основе ПЛИС Xilinx с применением языка VHDL. — М.: Горячая линия-Телеком, 2005. — 252 с., ил.

Установите пакет ISE WebPACK с DVD-диска, прилагающегося к журналу; также пакет ISE WebPACK можно загрузить через Интернет по ссылке ww w.xilinx.c om/ise. За информацией по продукции фирмы Xilinx можно обращаться на сайт w ww .xilinx.c om. ■