CC BY
19ПЛИС
компоненты i 87
SmartFusion2 и IGLOO2 — надежные, экономичные, компактные.
Обзор новых семейств ПЛИС корпорации Microsemi
Дмитрий ИОФФЕ
[email protected] Артём КАЗАКОВ
В предлагаемой вниманию читателей статье приводится краткий обзор двух новейших семейств ПЛИС корпорации Microsemi: SmartFusion2 и IGLOO2. Эти микросхемы отличаются рекордно низкой потребляемой мощностью, высокой надежностью и большим количеством и разнообразием встроенных функциональных узлов.
Введение
Основное направление деятельности корпорации Microsemi [1] — производство электронных компонентов повышенной надежности для работы в жестких условиях эксплуатации. Среди ПЛИС, выпускаемых корпорацией, наиболее широко известны (ранее под брендом Actel) радиа-ционно-стойкие семейства ПЛИС: RTAX, RTSX, RT ProASIC 3. Первые два семейства изготовляются уже много лет и практически незаменимы в своих областях применения. Многократно программируемые ПЛИС от Microsemi, выполненные по Flash-технологии, были выпущены позже, поэтому менее известны. Тем не менее эти микросхемы имеют ряд уникальных свойств, сочетание которых может сделать их незаменимыми в широком спектре приложений. Отметим главное:
• исключительно низкая потребляемая мощность в сочетании с развитыми средствами энергосбережения;
• повышенная надежность, связанная с особенностями архитектуры;
• оптимальное соотношение цены и функциональных возможностей за счет множества разнообразных аппаратных функциональных устройств «на борту»;
• защищенность проекта от незаконного копирования, которая обеспечивается одновременно несколькими разными средствами.
В этой статье мы рассмотрим только два самых новых семейства ПЛИС корпорации Microsemi: IGLOO2 и SmartFusion2. IGLOO2 — это «просто» ПЛИС, а SmartFusion2 — это «система-на-кристалле», то есть в данном случае ПЛИС в сочетании с аппаратным микро-
контроллером ARM Cortex-M3. За рамками статьи останутся, например, уникальные системы на кристалле семейства SmartFusion [2] с большим количеством встроенных аналоговых периферийных блоков: АЦП, ЦАП, компараторы, каналы измерения температуры, тока и напряжения. Отметим, что конкурирующие производители ПЛИС только начинают осваивать это направление. Так, фирма Altera в мае 2014 года анонсировала предварительную документацию на семейство ПЛИС MAX 10 [3], в котором из аналоговых блоков есть только АЦП и температурный датчик. К сожалению, в одной журнальной статье невозможно объять всю достойную внимания номенклатуру ПЛИС корпорации Microsemi.
Особенности архитектуры
В основе семейств SmartFusion2 и IGLOO2 лежит одна и та же архитектура ПЛИС. Даже основное описание этих семейств производитель приводит в одном документе [4]. В какой-то степени можно считать,
А — В — С — D — CIN — LUT_BYP— EN — SYNC_SR— CLK — RST —
Рис. 1. Базовая ячейка матрицы ПЛИС SmartFusion2 и IGLOO2
что основное различие между семействами — это наличие в SmartFusion2 микроконтроллерной подсистемы на базе ядра ARM Cortex-M3. Кроме того, набор функциональных блоков в этих семействах заметно различается.
ПЛИС обоих семейств принадлежат к классу так называемых flash-based FPGA. В таких ПЛИС конфигурационная flash-память равномерно распределена по площади кристалла. Это дает следующие преимущества:
• Не требуются микросхема внешней конфигурационной памяти и, соответственно, загрузка конфигурации из нее. Отсюда следуют два полезных свойства:
- ПЛИС готова к работе практически сразу после включения;
- во время загрузки конфигурации невозможно подключиться к потоку конфигурационных данных и считать его.
• Такая конфигурационная память не подвержена однократным сбоям (Single-Event Upset, SEU), что повышает надежность в условиях сильных помех и ионизирующих излучений.
Устройства SmartFusion2 и IGLOO2 принадлежат к четвертому поколению flash-based FPGA фирмы Microsemi (ранее Actel) и вдвое превосходят своих предшественников по производительности.
Базовая ячейка матрицы ПЛИС Smart-Fusion2 и IGLOO2 состоит из комбинационных (combinatorial) и последовательностных (sequential) блоков. Комбинационные блоки (рис. 1) представляют собой четырехвходо-вые LUT (LookUp Table) с цепями переноса (Carry Chains).
Последовательностные блоки в Smart-Fusion2 и IGLOO2 — это отдельные тригге-
-со
LUT4
D EN
SL
>
-L0
— RO
ры, которые можно использовать независимо от LUT (рис. 1). Такой триггер может быть сконфигурирован как регистр или как защелка. У него есть вход данных, и опционально могут использоваться вход разрешения и входы асинхронной и синхронной загрузки (сброса и установки).
Функциональные узлы
Оба семейства предоставляют разработчику богатый выбор аппаратных функциональных узлов самого разного назначения. Подробное описание этого разнообразия представлено в [5, 6]. Здесь мы ограничимся лишь простым перечислением. Итак, устройства SmartFusion2 и IGLOO2 содержат:
• схемы формирования тактовых сигналов (Clock Conditioning Circuits, CCC) с узлами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и программируемыми задержками;
• большие блоки двухпортовых ОЗУ (Large SRAM, LSRAM) объемом 18 кбит (18 432 бит);
• малые блоки трехпортовых ОЗУ (Micro SRAM, uSRAM) объемом 1 кбит (1152 бит) с двумя портами для чтения и одним для записи;
• математические блоки с умножителями, сумматорами/вычитателями и управляющими регистрами, оптимизированные для цифровой обработки сигналов;
• узлы ввода/вывода, поддерживающие большое количество стандартов (как униполярные, так и дифференциальные сигналы, с возможностью программирования множества параметров: задержек, выходных токов, триггеров Шмитта и подтягивающих резисторов на входах);
• контроллеры DDR с поддержкой различных видов DDR;
• модули сериализаторов-десериализаторов (SERDES), которые поддерживают различные последовательные интерфейсы, такие как PCI Express 2.0, XAUI, serial gigabit media independent interface (SGMII), serial rapid I/O (SRIO), и любые определяемые пользователем скоростные последовательные протоколы передачи данных;
• модуль JTAG;
• генератор тактовой частоты, к которому можно подключить кварцевый или керамический резонатор или RC-цепь;
• интерфейсы I2C и SPI.
Это неполный список, в котором нет многих очень интересных подробностей.
Надежность
Повышенная надежность систем на основе SmartFusion2 и IGLOO2 обеспечивается за счет следующих свойств и возможностей:
• устойчивость к одиночным сбоям (Single Event Upset, SEU);
• широкий диапазон рабочей температуры кристалла: от -40 до +125 °C;
Ток 1 Л Бросок тока при SRAM включении SRAM Flash (Idds) Напряжение ^^ питания Конфигурационный ток SRAM (Iddc)
\ Готов Время
Рис. 2. Сравнение различных составляющих потребляемой мощности для обычных SRAM FPGA и Flash FPGA фирмы Microsemi
Рис. 3. Сравнение структуры обычной ячейки конфигурационной памяти на основе статического ОЗУ и ячейки flash-памяти Microsemi
• исправление одиночных ошибок и обнаружение двойных ошибок (Single Error Correct Double Error Detect, SECDED) для следующих узлов:
- встроенное ОЗУ;
- буфер PCIe;
- контроллеры DDR с опциональным режимом SECDED;
- для устройств SmartFusion2 — буферы Ethernet, буферы сообщений CAN, память eSRAM для Cortex-M3, буферы USB;
• буферы с защелками, устойчивыми к SEU, для следующих узлов:
- мосты DDR;
- SPI FIFO;
• проверка целостности ПЗУ при включении питания и по запросу.
Пониженное энергопотребление
Рекордно низкая потребляемая мощность — это одна из наиболее сильных сторон семейств SmartFusion2 и IGLOO2. В них реализован режим особо низкого потребления Flash*Freeze (таблица). В этом режиме статическое потребление микросхемы может составлять менее 1 мВт. Устройства могут легко входить в этот режим и выходить из него с сохранением текущего состояния, линий ввода/вывода и регистров.
Потребляемая мощность узлов SERDES может быть до 13 мВт/Гбит на канал.
Суммарная экономия потребляемой мощности для устройств SmartFusion2 и IGLOO2 может составлять до 50% по сравнению с конкурирующими решениями.
На рис. 2 представлено сравнение различных составляющих потребляемой мощности для SRAM FPGA и Flash FPGA фирмы Microsemi. При включении питания и во время конфигурации экономятся сотни милливатт.
На рис. 3 сравнивается структура ячейки конфигурационной памяти на основе статического ОЗУ и ячейки flash-памяти Microsemi. Первая, в конкурирующих ПЛИС, обычно состоит из шести транзисторов, а в ячейке flash-памяти используется один транзистор, поэтому потребляемая мощность во втором случае уменьшается экспоненциально.
Таблица. Сравнение потребления SRAM FPGA и FPGA корпорации Microsemi
SRAM FPGA Microsemi FPGA
Скачок потребления при включении питания Большой Нет
Потребление при конфигурации Высокое Нулевое
Статическое потребление в режиме ожидания Высокое Ультранизкое
Активная мощность (статическая плюс динамическая) Высокая Низкая
Потребление в экономичных режимах (сон/Flash*Freeze) Низкое Ультранизкое
Общее потребление Высокое Очень низкое
ПЛИС компоненты
89
Г*
IGLOO
□
Стандартная ячейка/ Устойчивая к SEU
Flash-ячейка/ Устойчивая к SEU
Системный контроллер
Внутрисхемное программирование
Flash*Freeze
До 16 каналов многопротокольных 5G SERDES л
РМА РМА РМА РМА
PCI Express *1, *2, *4 XAUI XGXS Direct Attach *1, *2, *4
V ✓
AXI/AHB, XGMII, Direct 20 Bit Bus
Структура FPGA
До 150 тыс. логических элементов
Высокопроизводительная подсистема памяти
SPI
О) н
"О
>
-П I
Ö **■ ГО
eSRAM 0
eSRAM 1
HPDMA t
Мост DDR t
667 Мбайт/с DDR Контроллер/физический уровень
667 Мбайт/с DDR Контроллер/физический уровень
Узлы ввода/вывода, поддерживающие большое количество стандартов
(1,2-3,3 В, LVDS, HSTL/SSTL)
Рис. 4. Блок-схема ПЛИС семейства IGLOO2
Структура ПЛИС семейства IGLOO2
На рис. 4 приведена блок-схема ПЛИС семейства IGLOO2 [7].
Структура
«системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2
На рис. 5 показана блок-схема «системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2 [8]. Ее основное отличие от ПЛИС семейства IGLOO2 — микроконтроллерная подсистема (Microcontroller Subsystem, MSS). Она содержит следующие блоки:
• аппаратно реализованный 32-разрядный процессор ARM Cortex-M3 со следующими параметрами:
- тактовая частота 166 МГц;
- производительность 1,25 DMIPS/МГц;
- объем кэша инструкций 8 кбайт;
- модуль защиты памяти;
- умножение за один цикл, аппаратное деление;
- отладочные интерфейсы JTAG (четырехпроводный), SWD (Serial Wire Debug, двухпроводный)
и SWV (Serial Wire Viewer);
• 64 кбайт встроенного ОЗУ (eSRAM);
• до 512 кбайт встроенного ПЗУ (eNVM);
• трехскоростной модуль Ethernet (Triple Speed Ethernet, TSE) со скоростями 10/100/1000 Mbps, MAC;
• контроллер USB 2.0 High Speed OTG с интерфейсом ULPI;
• контроллер CAN 2.0B, удовлетворяющий требованиям ISO11898-1, 32 передающих и 32 принимающих буфера;
• периферийные блоки SPI, I2C, многорежимные UART (по два экземпляра каждого);
• аппаратный сторожевой таймер;
• один 64-разрядный или два 32-разрядных таймера общего назначения;
• часы реального времени;
• DDR-мост с 64-разрядным интерфейсом AXI;
• неблокирующая многослойная матрица шины AHB, позволяющая подключать несколько ведущих устройств (10 ведущих и 7 ведомых);
• два интерфейса AHB-lite/AHB для подключения структуры ПЛИС (в качестве ведущей или ведомой);
• два контроллера прямого доступа к памяти (DMA).
Заключение
Мы познакомились с новейшими семействами ПЛИС корпорации Microsemi:
IGLOO2 и SmartFusion2. Сама корпора-
ция считает эти изделия своим основным направлением (mainstream) в области ПЛИС [4].
Семейства SmartFusion2 и IGLOO2 возникли в результате глубокой переработки всего накопленного корпорацией Microsemi опыта по созданию ПЛИС и СНК. Сочетание малопотребляющей Flash-технологии, устойчивой к сбоям конфигурации, с аппаратной возможностью защиты блоков ОЗУ помехоустойчивым кодом оправдывает применение нового семейства в проектах с исключительными требованиями к энергопотреблению, надежности и безопасности. Наличие в одном корпусе ПЛИС, микропроцессорной подсистемы и целого ряда интерфейсных контроллеров предоставляет разработчику широкий спектр возможностей, позволяющих использовать новые семейства как в цифровых комплексах различного назначения, так и в телекоммуникационном оборудовании.
Перед вами первая статья из цикла, посвященного этим ПЛИС. В следующих статьях будут рассмотрены отладочные платы, которые Microsemi предлагает для их освоения, а также учебные проекты с пошаговыми инструкциями по выполнению. ■
Литература
1. www.microsemi.com
JTAG I/O
Узлы ввода/вывода, поддерживающие SPI I/O большое количество стандартов
DDR User I/O
Системный контроллер
AES256 SHA256 SRAM-PUF
ЕСС NRBG Внутрисхемное
Flash*Freeze программирование
3 т
S& £ ■
I-
О- гл ||
ri О
3
— л
Sm л rtFusion2
SPIX2 MMUART«2 |2Сх2 Птег*2
CAN
RTC FIIC
Микроконтроплерная подсистема (MSS)
ARM Cortex-МЗ
MPU ETM
APB PDMA
HS USB OTG ULPI
SYSREG eNVM
Мост -4— DDR л-
t $ t t $
Матрица шины AHB
t t t t t
FIC_0 FIC_1 TSE MAC
MSS DDR Controller +PHY
Последовательный
контроллер 0 (PCIe, XAUI/XGXS) +Natlve SERDES
Последовательный
контроллер 1 (PCIe, XAUI/XGXS) +Natlve SERDES
Fabric DDR Controller + PHY
Стандартная ячейка/ Устойчивая к SEU
Flash-ячейка/ Устойчивая к SEU
Ге
о е
3S
m -л
si ■й = В ю 3 5
ш Е
Serial 0 I/O
Serial 1 I/O
DDR User I/O
Рис. 5. Блок-схема «системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2
2. SmartFusion. Комбинированная аналого-цифровая ПЛИС с интегрированным аппаратным процессором ARM Cortex-M3. http://www.actel.ru/ products/fpga/smartfusion.html
3. Открыта программа раннего доступа для нового поколения СБИС ПЛ с энергонезависимой конфигурационной памятью. http://www.altera.ru/ news/max-10-eap.html
4. IGLOO2 and SmartFusion2 SoC FPGAs Datasheet // www.microsemi.com
5. SmartFusion2 SoC FPGA Fabric User Guide // www.microsemi.com
6. IGLOO2 FPGA Fabric User Guide // www.microsemi.com
7. IGLOO2 FPGAs Product Brief // www.microsemi.com
8. SmartFusion2 System-on-Chip FPGAs Product Brief // www.microsemi.com
AUTEX Ltd.
официальный дистрибьютор
□ ANALOG DEVICES
• Комплексная поставка электронных компонентов и информационная поддержка проектов заказчика • весь спектр программных и инструментальных средств разработки, а также специальные комплекты для освоения сигнальных процессоров > Консультации по ЦОС, проектированию и программированию устройств на базе DSP • Полный цикл производства - от изготовления прототипов и макетных образцов до подготовки к серии Проведение ежегодной международной выставки и конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение - DSRA-
117997, Москва, ул. Профсоюзная, д. 65 Тел.:(495)334-7741, 334-9151; фаю:: (495) 234-9991, 334-8729 e-maJI: [email protected] http7/www.a4tex.ru
