3. Специфика проектирования цифровых устройств для fpga с использованием средств фирмы Xilinx

Не смотря на то, что существует огромное множество фирм, производящих кристаллы FPGA и программное обеспечение для реализации всех этапов маршрута проектирования этих устройств, в этой книге мы сосредоточимся на продукции фирмы Xilinx, одной из крупнейших фирм в этом секторе рынка наряду с Altera и Lattice. В связи с этим, целью данной главы является некоторое введение в структуру кристаллов и средства проектирования, созданные этой фирмой. Также более детально будет освещена принципиальная структура, внутренние ресурсы и периферия семейства FPGA Spartan 6, являющегося платформой для реализации лабораторных работ, предложенных в данной книге.

3.1 Обзор семейств fpga и средств проектирования фирмы Xilinx

В этом разделе будут рассмотрены семейства FPGA, выпускаемых фирмой Xilinx. Также будет сделан обзор программных средств от Xilinx, покрывающих весь маршрут проектирования.

3.1.1 Обзор семейств fpga фирмы Xilinx

Прежде всего хотелось бы представить обзор семейств ПЛИС, имеющихся в арсенале данной фирмы. Каждое из семейств, представленных ниже, имеет свою собственную специфику применения и соответствующие целевые рынки:

• Spartan — являются массовыми FPGA, имеющими довольно низкую стоимость и предназначенные для решения задач не требующих больших вычислительных мощностей. К сожалению, последним представителем данного семейства является Spartan 6 и Xilinx планирует о завершении развития данного семейства. На смену ему придут два новых семейства — Artix и Kintex;

• Artix — данное семейство ориентированно на массовые рынки недорогой продукции, имеет относительно низку стоимость и самое низкое энергопотребление по сравнению с другими семействами, имеющими одинаковый порядковый номер и выполненными по одинаковой технологической норме. Также данное семейство имеет малые габариты, что делает его в сочетании с другими параметрами очень привлекательным для построения портативных устройств;

• Kintex — кристаллы этого типа имеют большой объем памяти и расширенные ресурсы DSP, что делает это семейство идеальным для построения LTE, светодиодных и 3D цифровых видео дисплеев, устройств отображения для медицины и авиации;

• Virtex — представляют собой самые быстрые и емкие FPGA, содержащие самую богатую периферию и наибольшее количество дополнительных блоков, таких как DSP-ядра, блочная память и т.д. Все это делает данное семейство FPGA сравнимым с кристаллами ASIC;

• CoolRunner — данные семейства представляют собой реализацию архитектуры CPLD, что означает, что эти устройства представляют собой небольшие энергонезависимые кристаллы, служащие для организации небольших, критических к энергопотреблению цифровых схем.

Новейшие кристаллы с архитектурой FPGA от Xilinx спроектированы по технологии high-K metal gate и 28нм техпроцессу, что позволяет при минимальном энергопотреблении достичь максимальной производительности. На момент написания данной книги, фирмой были анонсированы семейства FPGA 7-ой серии, а также абсолютно новый продукт под названием ZYNQ 7000, содержащий на одном кристалле двухъядерный процессор CortexA9 и большое поле FPGA, основанное, в зависимости от модели, на семействах Artix или Kintex.

3.1.2 Покрытие маршрута проектирования средствами Xilinx

Для покрытия всего стандартного маршрута проектирования для FPGA и CPLD фирмой Xilinx было разработано два программных пакета: ISE (Integrated Software Environment) и PlanAhead. Оба этих пакета представляют собой законченные среды проектирования с удобным графическим интерфейсом, позволяющим вызывать для различных этапов маршрута проектирования специализированные программы и утилиты. Выбор того или иного пакета является в основном делом вкуса, но все же следует учитывать, что пакет PlanAhead считается более профессиональным и имеет ряд более расширенных опций. В данной книге мы будем использовать среду ISE, поэтому далее, пакет PlanAhead рассматриваться не будет.

На рисунке 3.1.1 представлено покрытие всего маршрута проектирования средствами Xilinx, также на рисунке представлены расширения файлов проекта, созданных на каждом из шагов.

Написание HDL может быть выполнено как во встроенном текстовом редакторе, так и в любом другом, по желанию разработчика. На этапе синтеза могут быть использованы как встроенный синтезатор, XST, так и внешние синтезаторы. В качестве внешних синтезаторов, рекомендуется использовать Synplify или Precision.

Процессы имплементации и создания конфигурации реализованы средствами ISE в виде вызова набора соответствующих утилит.

На протяжении всех этапов маршрута проектирования пользователь может контролировать правильность выполнения шагов, путем анализа разнообразных отчетов.

Рисунок 3.1.1 — Покрытие всего маршрута проектирования для FPGA средствами Xilinx