СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 2011-1

Разработка эффективныхсистем–это всегдапоисккомпромисса врамках тех нологических возможностей и ограни ченийэлементнойбазы, средствимето довпроектирования. Сложившаяся тен денция использования универсальных средств проектирования и высоко уровневых языков описания аппара туры (HDL) подразумевает сокрытие особенностей аппаратной реализа ции, что негативно сказывается на эффективности. Явное использование ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 52 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2011 Архитектура, технологические особенности и методы проектирования систем на кристалле ПЛИС Алексей Шматок (Москва) В статье обсуждаются архитектура, технологические особенности и методы проектирования систем на кристалле (СнК) ПЛИС, рассматриваются способы повышения эффективности реализации приложений. архитектурных особенностей позво ляет создавать более производитель ные решения. Я ЗЫКИ ОПИСАНИЯ АППАРАТУРЫ Наиболее широко используемыми языкамиописания аппаратурыявляют ся VHDL и Verilog; на их основе сущест вуетмножество специфическихрасши рений и дополнений [1, 2]. Также прак тикуетсяиспользование традиционных языковС++, Javaи т.д. дляпрограммиро ванияописания аппаратныхкомпонен тов (генерации HDL), для моделирова ния, верификацииит.п., например, в ви де библиотеки классов С++ SystemC [3]. Впоследние годыне наблюдается ка чественно нового развития языков и средств описания аппаратуры (HDL), несмотря на то что степень интеграции микросхем неуклонно растёт и требу ются более эффективные решения [4]. В частности, время генерации конфигу рационного потока для микросхем ПЛИС высокой ёмкости может зани мать от нескольких часов до несколь ких суток; в таких условиях отладка проекта может продолжаться многие месяцы. Решением проблемы может быть прямое программирование кон фигураций ПЛИС без использования универсальных средств разработки, поставляемыхпроизводителямиПЛИС. А РХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ПЛИС Внутреннее устройство микросхем ПЛИС организованно на базе двумер ной пространственной коммутацион ной среды (2D решётки), к которой через конфигурируемые коммутаци онные блоки (S) подключаются раз личные компоненты (C), такие как ло гические блоки (LB), блоки памяти (BRAM), блоки арифметических опе раций (DSP) и многие другие, что схе матично отображено на рисунке 1. Внутренние компоненты располага ются в виде столбцов и имеют свои пространственные координаты (XY). Для следующих поколений ПЛИС анонсирована технологическая воз можность использования третьего из мерения для линий распространения сигналов (многослойность). Традиционно синхронизация рабо ты внутренних компонентов выполня ется от одного или нескольких такто вых сигналов, которые распространя ются либо от глобальных буферов, расположенных в центре кристалла, либо от региональных буферов, рас положенных в соответствующих об ластях. Глобальные тактовые сигналы формируются в специальных блоках, в которых входящий тактовый сиг нал умножается, делится и сдвигается по фазе. В современных кристаллах ПЛИС могут быть синтезированы так товые сигналы с частотами порядка 1 ГГц и выше. Р АСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛОВ И СИНХРОНИЗАЦИЯ С Н К Основополагающим элементом ар хитектуры ПЛИС является механизм синхронизации распространения сиг налов. То, как реализована синхрони зация, определяет все дальнейшие ре шения и существенным образом влия ет на временные задержки. На рисун ке 2 показан пример, в котором линии распространения глобальных такто вых сигналов расходятся по всему кристаллу от глобального буфера. Чем дальше от глобального буфера распро странения тактовых сигналов (центра кристалла) располагаются компонен ты, тем ниже возможная частота рабо ты компонентов. Более эффективным является использование региональных буферов, тактовые сигналыот которых локализованы и распространяются в относительно небольшой области. Для получения максимально возможной частоты работы применяются кон вейерные схемы передачи данных, в которых синхронизация выполняется между соседними компонентами (см. рис. 3). S C S C S C S C S C S C S C S C S C Рис. 1. Пространственная коммутационная система Глобальный буфер Рис. 2. Синхронизация от глобальных тактовых сигналов FF Logic FF Logic FF Logic CLK FF Logic © СТА-ПРЕСС