Современные ПЛИС. Продукция компании Lattice Semiconductor Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Компоненты и технологии, № 6'2002

Современные ПЛИС.

Продукция компании Lattice Semiconductor. Часть 1

Как известно, особенностью российской электроники является достаточно консервативный подход разработчиков к выбору элементной базы. Это связано, во-первых, со значительными сложностями поставок на первый взгляд интересной элементной базы и, во-вторых, с определенным информационным голодом, особенно с отсутствием подробных русскоязычных материалов по применению той или иной элементной базы. Такая ситуация особенно наглядно проявляется на рынке программируемой логики. Наверное, порядка 80% российских разработок с использованием ПЛИС выполняется на старых добрых Altera и Xilinx. В то же время, на просторах России появляются дистрибьюторы и других компаний. В этой связи возникла идея написания цикла статей по применению и особенностям «нетрадиционных» ПЛИС. В прошлом номере вышла статья по пакету для проектирования Libero фирмы Actel. В этой и последующих статьях будет рассмотрена продукция компании Lattice Semiconductor.

Владимир Стешенко, к. т. н.

Компания Lattice Semiconductor довольно давно разрабатывает и производит ПЛИС и программное обеспечение для проектирования систем на их основе. С 1992 года компания Lattice Semiconductor сфокусировала свою деятельность на развитии рынка CPLD высокой плотности. В 2000 году около 76% годового дохода компании было получено от продаж CPLD высокой плотности (66% — в 1999 году).

Стоит заметить, что на Западе продукция компании достаточно широко используется производителями оборудования передачи данных и телекоммуникаций, а также компьютеров, индустриальных и военных систем. Так, в течение первого квартала 2001 года компания поставляла около 56% всех PLD для рынка коммуникаций (от 111,1 миллионов долл. годового оборота) и приблизительно 24% — для компьютерного рынка.

В июне 1999 года Lattice Semiconductor приобрела Vantis Corporation, бывшую дочернюю компанию

Таблица 1

Быстро- действие, МГц Задержка распро- странения, нс Логическая емкость, эквива- лентных вентилей Корпуса (выводов)

IspLSI® 1000/E/EA 200 4,0 2000-8000 44-128

IspLSI 2000E/VE 300 3,0 1000-8000 44-208

IspLSI 5000 V/E 180 5,0 6000-24000 128-388

IspLSI8000/V 125 8,5 25000-50000 272-492

IspMACH™ 4/LV/A 180 5,0 1000-10000 44-256

MACH 5/LV 180 5,5 5000-20000 100-352

Advanced Micro Devices (AMD) по производству программируемой логики.

В январе 2002 года корпорация Lattice Semiconductor объявила о завершении покупки отделения компании Agere Systems, занимающегося разработкой FPGA-устройств.

На рис. 1 представлена гамма выпускаемых компанией Lattice Semiconductor устройств. Помимо традиционных CPLD имеются программируемые аналоговые интегральные схемы (ПАИС), а также ряд оригинальных устройств для коммутации скоростных потоков данных.

Основные характеристики микросхем CPLD представлены в таблице 1.

Как можно видеть из таблицы, помимо ПЛИС разработки Lattice Semiconductor, выпускаются и старые добрые MACH, разработанные еще AMD и достаточно хорошо известные российскому разработчику.

Рассмотрим основные группы продуктов, выпускаемые Lattice Semiconductor.

IspGDX® /V. Данные семейства микросхем расширяют возможности программирования в системе до уровня монтажной платы, используя архитектуру переключения в точке пересечения (cross-point switch). Задержка распространения меньше 3,5 нс, количество входов-выходов — вплоть до 240. Оба семейства микросхем — пятивольтовое ispGDX и трехвольтовое ispGDXV — ориентированы на коммутацию цифрового сигнала и реализацию интерфейсов.

IspPAC®. В печати уже проходила информация об этих ПАИС [1, 2]. Архитектура ispPAC позволяет разработчику быстро и легко программировать значения резисторов и конденсаторов, полярность сиг-------www.finestreet.ru-------------------------

Компоненты и технологии, № 6'2002

CPLD Devices

SPLD Devices

Lattice Semiconductor

Analog Products

3.3 V Device Familie«

-iE

— Macrocelli: 126-512

— Tpd:5 n*

— Fmax: 180 MHz

— I/Oi 72-256

— Logic Blodc Inputs : 68

ispMACH 5000 VG

.5 V Device Families

-Macrocells: 32-192

— Tpd:5 ns -Fmax: 180 MHz -I/O» 32-128

— Logic Block Inputs: 18

ЧЕ

5.0 V Device Families

— Macrocells: 768-1024

— Tpd:5 n*

-Fmax: 178 MHz

— I/O« 196-384

— Logic Blodc Inputs : 68

ispMACH 4A3

— Macrocells : 32-512

— Tpd:5 ns

— Fmax: 182 MHz

— I/Os 32-256

— Logic Blodc Inputs : 33-36

ï: 32-256 ■ Tpd: 5 n*

-Fmax: 182 MHz ■l/Os 32-128

- Logic Block Inputs : 33-36

3.3 V Device Families

-Pins: 28 -Tpd: 4.0 ns -Fmax: 250 MHz -Ice: 130 mA

-Pins: 20-28 Tpd: 3.5 ns - Fmax: 250 MHz -Ice: 70-130 mA

5.0 V Device Families

ispLSI 2000 VE

32-128 Tpd: 3.5 n*

Fmax: 225 MHz I/Os 32-128 *— Logic Block Inputs: 18

Digital Switdi Devices :

ispPACIO

4E

Signal Conditioning - Packaging 28-SOIC&PDIP

ispPAC20 I

.3 V Device Families

- Registers: 80-240

— Tpd: 3.0 nt -Fmax: 250 MHz L- I/Os 80-240

Control Loop and Monitoring - Packaging 44-PLCC &TQFP

5.0 V Device Families

ispGDX

ispPAC30

Versatile Analog Front-End Packaging 24-SOIC &28-PDIP

-| iipPACSO/lspPACSI I

— Registers: 80-160

— Tpd: 5.0 ns -Fmax: 143 MHz i-l/Os 80-160

ORCA Series 4

- Density: 400K-1 350K

11 664 - 30 240 Max RAM bits: —

111K-221K - I/Os 576 -1 088

ORCA Series 3 I

- Density: 18K-340K

- Max Registers:

1 872-14 820

- Max RAM bits:

18.4K -184.8K

- Embedded RAM bits:

-I/Os 196-612 ORCA Series 2 I

-Pins: 28 Tpd: 7.5 ns

- Fmax: 111 MHz

- Icc : 140 mA

Ultra-Flexible Continuous-Time Low-Pass Filter

— Macrocells: 32-192 -Tpd: 3 ns

— Fmax: 300 MHz -I/Os 32-128

— Logic Blodc Inputs: 18

16-SOIC & PDIP

-Pins: 20-28 Tpd: 3.5 ns -Fmax: 250 MHz -Ice: 55-150 mA

-Density: 4 800-99 400

- Max Registers:

400 - 3 600 -Max RAM bits:

6 400 - 57 600

- Embedded RAM bits:

L I/O* 160-480

ispLSI 8000 V

— Macrocells : 600-1080 -Tpd: 8.5 ns

— Fmax: 125 MHz -I/Os 192-360

Logic Blodc Inputs : 44

- F PGA Technology:

ORCA Series 4

- PFUs: 1296 -Density: 400K- 720K

- FPGA Technology:

ORCA Series 4 PFUs: 1296 -Density: 400K-720K -Embedded RAM bits: 111К -I/Os 432

- FPGA Technology:

ORCA Series 4

- PFUs: 624

- Density: 260K-470K

- Embedded RAM bits: 74К -I/Os 432

- FPGA Technology:

ORCA Series 4

- PFUs: 2024

- Density: 530K-970K

- Embedded RAM bits: 147K

- I/Os 536

ORT4622

- FPGA Technology:

ORCA Series 3 -PFUs: 504 -Density: 60K-120K

Рис. 1

- FPGA Technology:

ORCA Series 3 -PFUs: 504 -Density: 60K-120K

нала и тока, а также различные соединения при разработке большого разнообразия аналоговых схем. Самые простые микросхемы ispPAC предназначены для фильтрации и согласования устройств по уровням сигнала, что позволяет заменить ими многочисленные дискретные аналоговые компоненты. Разработки с использованием ispPAC выполняются и программируются на персональном компьютере с использованием инструментального программного средства PAC-Designer®.

Все ПЛИС компании Lattice Semiconductor, предназначенные для «программирования в системе» (ISP), поддерживаются с помощью программного продукта ispDesignEXPERT™. Это ПО позволяет работать на платформах PC и UNIX, а также дает возможность пользователю вводить, контролировать и синтезировать разработку, проводить логическое моделирование и временной анализ, распределять сигналы по выводам микросхемы так, как это ему необходимо и самостоятельно определять пути прохождения сигнала для создания дополнительных задержек. Кроме того, ispDesignEXPERT™ позволяет отлаживать и планировать ход разработки, а также программировать устройство.

ПО ispDesignExprert полностью совместимо с автоматизированными системами проектирования Aldec, Cadence, Innoveda, Mentor Graphics, OrCAD, Synopsys, Sinplisity и Verybest.

Продукт ispDesignExprert является мощной оболочкой, позволяющей выполнить полный комплекс операций с программируемыми логическими устройствами от описания проекта до программирования ПЛИС.

В следующих статьях цикла эти продукты будут рассмотрены подробнее.

Рассмотрение продукции Lattice Semiconductor начнем с ПЛИС, построенных по архитектуре FPGA. Начнем с рассказа о набирающем популярность направлении систем на кристалле, представителем которого являются некоторые кристаллы ORCA. Рассмотрим в качестве примера микросхему ORT8850, получившую название Field-Programmable System Chip (FPSC). Ее структурная схема приведена на рис. 2.

ПЛИС ORT8850, ориентированная прежде всего на коммуникационные применения, содержит на борту полную поддержку протоко-

О

î-bit/ 10-bit DECODER ч

050 Mbits/s DATA

8 FULL-DUPLEX SERIAL CANNELS

850 Mbits/s DATA

I i PSEUDO- SONET FRAMER ■ POINTER MOVER • SCRAMBLING • Fire ALIGNMENT

LVDS I/Os CLOCK/DATA RECOVERY BYTE- WIDE DATA

* A 1 ' A 1

V--------------------7

\ ---------------,/

\ 8-bit/10-bit ► ENCODER

311 MHz DDR INTERFACE (RapidIO)

IT

LVDS I/Os

311 MHz DDR INTERFACE (RapidIO)

ТГ

LVDS I/Os

311 MHz DDR INTERFACE (RapidIO)

ТГ

LVDS I/Os

ORCA SERIES 4 FPGA LOGIC

STANDARD FPGA I/O*

Рис. 2

-www.flnestreet.ru -

61

Компоненты и технологии, № 6'2002

Таблица 2

Device PFU Rows PFU Columns Total PFUs FPGA User I/O LUTs EBR Blocks EBR Bits (K) Usable Gates (K)

ORT8850L 26 24 624 296 4,992 8 74 260-470

ORT8850H 46 44 2024 536 16,192 16 147 530-970

ла SONET, а 8 каналов высокоскоростного интерфейса обеспечивают скорость обмена до 850 Мбит/с. Поддерживается интерфейс LVDS для ввода-вывода. В ПЛИС реализован интерфейс обмена с удвоенной скоростью (double data rate, DDR).

ПЛИС выполнена 0,13-микронной технологии с 7 слоями металлизации.

Быстродействие ядра достигает 250 МГц. Логическая емкость ПЛИС достигает 600 000 эквивалентных вентилей. Напряжение питания ядра равно 1,5 В, что позволяет снизить энергопотребление на 30 процентов по сравнению с 1,8 В логикой.

При выборе внешнего интерфейса можно программно выбирать логические уровни как LVTTL, так и LVCMOS (3,3, 2,5 и 1,8 В). Ограничительные диоды в элементах ввода-вывода обеспечивают совместимость с интерфейсом PCI (3,3 В). Возможно индивидуальное программирование нагрузочной способности выводов в пределах 3-24 мА. Программируется и длительность фронтов сигналов (fast и slew-limited). Имеются входные защелки, а также поддерживается функция открытого стока.

В ПЛИС 0RT8850 реализована поддержка как однопроводных, так и дифференциальных интерфейсов: GTL, GTL+, PECL, SSTL3/2 (class I & II), HSTL (Class I, III, IV), ZBT, DDR, LVDS, bused-LVDS, LVPECL). Для интерфейса LVDS реализованы внутрикристальные терминальные резисторы.

Отдельного разговора заслуживает программируемый функциональный блок (ПФБ, programmable function unit, PFU). Каждый ПФБ содержит 8 16-битных таблиц перекодировки (ТП, look-up tables, LUT). Девять регистров пользователя позволяют организовать необходимую пользователю последовательную схему. Каждый ПФБ имеет две независимых линии тактовой синхронизации, сигналы разрешения такта (clock enables), сброса и установки (set/reset), а также мультиплексоры данных. Таблицы перекодировки обладают достаточной гибкостью, в частности, имеются режимы LUT4, LUT5, LUT6, Мультиплексора 4 в 1, 8 в 1 и ряда арифметических функций.

Каждый ПФБ имеет память с ячейками емкостью 32x4, которая может быть сконфигурирована по однопортовой или двухпортовой схеме. Таблицы перекодировки допускают каскадирование для наращивания разрядности.

На рис. 3 представлена архитектура типичного для FPGA 0RCA ПФБ. На данном рисунке представлен ПФБ ПЛИС ORCA Series 4. Следует заметить, что в отличие от Altera или Xilinx, ПФБ ORCA кажутся несколько более сложными. С другой стороны, за счет кажущейся сложности достигается многообразие режимов конфигурации.

Внутренняя архитектура межсоединений достаточно емкая и позволяет реализовать как

локальные, так и глобальные внутрикристальные связи.

Наличие ФАПЧ с программируемым коэффициентом пересчета (programmable phase-locked loops, PPLLs) позволяет просто управлять тактовой частотой и обеспечить стабильный тактовый сигнал в диапазоне от 20 до 416 МГц.

Встроенные блоки памяти (ВБ) обеспечивают производительность до 200 МГц и имеют, в зависимости от режима конфигурации, порты как для чтения, так и записи данных.

Встроенные блоки памяти можно конфигурировать в следующих вариациях:

• 512х 18 — два порта чтения, два записи;

• 256x36 — один порт чтения, другой записи;

• 1Kx9 — один порт чтения, другой записи;

• сдвоенный блок 512x9;

• сдвоенный блок 16x8 контекстно адресуемой памяти (content addressable memory, CAM);

• FIFO 512x18, 256x36, 1Kx9, сдвоенное FIFOl 512x9;

• умножитель на константу (8x16 или 16x8);

• перемножитель сигналов (8x8).

В таблице 2 сведены данные по ПЛИС ORT8850.

Другим представителем систем на кристалле для телекоммуникационных приложе-

ний является ПЛИС ORCA ORT82G5. Данная микросхема предназначена для построения магистралей со скоростью передачи данных до 3,5 Гбит/с и поддерживает протокол SERDES.

На рис. 3 представлена архитектура ПЛИС ORT82G5. Как можно увидеть, данная микросхема прекрасно подходит для реализации скоростных сетевых устройств, тем более, что под эти задачи разработан ряд макросов, существенно облегчающих жизнь разработчику.

Рассматриваемые кристаллы имеют специализированный интерфейс для связи с процессором — Microprocessor Interface, MPI. Данный интерфейс обеспечивает обмен по 8-, 16- и 32-битной шине с процессорами типа PowerPC. Имеется поддержка интерфейса JTAG (IEEE 1149.2).

Для разработки устройств на базе FPGA используется САПР ORCA Foundry. В следующих статьях цикла мы рассмотрим особенности работы с этой программной средой. ИИ

Литература

1. А. Курбатов. Программируемые аналоговые интегральные схемы. Жизнь продолжается? // Компоненты и технологии. 2000. № 2.

2. В. Б. Стешенко. EDA: Практика автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств. М.: «Нолидж». 2002.

3. В. Б. Стешенко. Школа схемотехнического проектирования устройств обработки сигналов // Компоненты и технологии. 2000. № 3-8. 2001. № 1-7. 2002. № 1.

HIGH-SPEED DATA 3.5-2.5-2.0-1.25-1.0 Gbits/s

i_______________L

QUAD CHANNEL MUX/DEMUX

1:4 DEMULTIPLEXER 1:4 MULTIPLEXER

MULTI-CHANNEL , ALIGNMENT AND FIFO

HIGH-SPEED DATA 3.5-2.5-2.0-1.25-1.0 Gbits/s

1_______________L

SERDES REFERENCE REFERENCE SERDES

QUAD CHANNEL CLOCK CLOCK QUAD CHANNEL

(WITH8B/10B (WITH 8B/1 OB

ENCODER/DECODER) ENCODER/DECODER)

1:10 10:1 10:1 1:10

DEMULTIPLEXER MULTIPLEXER MULTIPLEXER DEMULTIPLEXER

MICRO-

PROCESSOR

INTERFACE

AND

REGISTERS

(AUXILIARY

BLOCK)

QUAD CHANNEL MUX/DEMUX

1:4 MULTIPLEXER 1:4 DEMULTIPLEXER

2 TO 1 DATA SELECTOR 2 TO 1 DATA SELECTOR

CLOCK 25-78 Mhz

LOW SPEED DATA 25-78 Mbit/s

FPGA LOGIC AND lOs

SYSTEM BUS SIGNALS

DATA AND CONTROL

T-

LOW SPEED DATA 25-78 Mbit/s

CLOCK 25-78 Mhz

4KX36 DUAL PORT RAM

4KX36 DUAL PORT RAM

Рис. 3

62

- www.finestreet.ru -