Общая характеристика микросхем ПЛИС.

После появления микросхем ПЛИС в середине 1980-х годов, они сначала использовались исключительно для создания связующей логики, для реализации устройств средней сложности и для решения некоторых задач обработки данных. Но по мере усложнения внутренней структуры и увеличения объема, размещаемых на кристалле вентилей, микросхемы ПЛИС, начали интенсивно использоваться в области сетей и телекоммуникаций, на их основе начали создаваться устройства высокой сложности. Резко возрос спрос в автомобильной и производственных сферах.
Микросхемы ПЛИС начали использовать для создания прототипов заказных микросхем и для создания испытательных стендов. Благодаря низким затратам на производство и возможностью быстро вывести на рынок конечное устройство, они стали использоваться как конечный продукт. А в некоторых сферах стали даже дешевле заказных микросхем.
В результате столь стремительного развития, к настоящему времени, появились высокопроизводительные микросхемы ПЛИС содержащие миллионы вентилей. Некоторые содержат встроенные ядра, высокоскоростные интерфейсы ввода-вывода, и другие устройства, всё это позволяет уменьшить количество корпусов микросхем на плате, вплоть до того, что на плате, при реализации всего устройства, может располагаться только сама микросхема ПЛИС и соединительные разъёмы. Современные микросхемы ПЛИС находят применение практически в любой сфере, включая устройства связи, радиолокации, обработке изображений, цифровой обработке сигналов (ЦОС) и др.
Кроме того, с появлением микросхем ПЛИС выполненных по технологии FPGA возник новый вид систем – системы с перестраиваемой архитектурой (reconfigurable computing).

________________________________________________________________________________
Для пометок.

* Чтобы модуль DCM нормально запустился согласно XAPP462 стр.30 необходимо подавать на вход RST импульс сброса в течении МИНИМУМ 3-Х периодов входной тактовой частоты. Иначе он "мёртвый". (Для семейства Spartan-3). xapp462

* Текст VHDL-модели логического элемента 2ИЛИ с открытым коллектором.

КОД:

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity OR2_OC is
port (IN1, IN2: in std_logic; OUT1: out std_logic);
end entity OR2_OC;

architecture model of OR2_OC is
begin
process (IN1, IN2)
begin
if (IN1 or IN2) = '0' then OUT1 <= '0';
elsif (IN1 or IN2) = '1' then OUT1 <= 'H';
else OUT1 <= 'X';
end if;
end process;
end architecture model;

В языке VHDL для сигналов типа std_logic есть соответствующее значение 'H'

Логический ноль представляется здесь полноценным сигналом низкого уровня (OUT1 <= '0'), логическая единица - только обозначена (OUT1 <= 'H'). Это намёк на то, что разработчик схемы должен побеспокоиться о том, чтобы обеспечить на выходе полноценный высокий уровень, подключив к нему "подтягивающий" резистор R_pullup.

* Путь основной тактовой частоты показан утолщёнными линиями, он проходит с выделенного входа тактирования (GCLK), через мультиплексоры тактовых сигналов (BUFGMUX), который подключён через схему распределения тактовых сигналов (Global Routing) к входам синхронизации триггеров и других тактируемых элементов.

Рис:

Эволюция ПЛИС серии Spartan.

Рассмотрим некоторые вопросы касающиеся эволюции и внутреннего устройства микросхем ПЛИС серии Spartan.

В конце 90-х годов фирма Xilinx начала выпуск микросхем ПЛИС серии Spartan с архитектурой FPGA. За прошедшее время они существенно изменились, превратившись в эффективные и недорогие цифровые устройства, способные функционировать как самостоятельно, так и в составе микропроцессорной системы.

По материалам статьи:
Илья Тарасов "Эволюция ПЛИС серии Spartan".
Из журнала КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 3 '2005 www.kite.ru

Краткий обзор.

Микросхемы ПЛИС серии Spartan являются развитием базовой серии XC4000 (семейства XC4000E, XC4000XL и XC4000XLA). На определённом этапе развития архитектур микросхем ПЛИС оказалось, что можно пойти как по пути реализации наиболее производительных технических решений, так и по пути максимального облегчения и удешевления выпускаемых микросхем с сохранением их основных функций. Подобное разделение и привело к появлению двух параллельно развиваемых семейств: высокопроизводительных hi-end FPGA серии Virtex и более дешёвой серии Spartan, которая позиционируется как замена специализированным микросхемам в мелких партиях изделий.
Первое семейство данной серии называлось собственно Spartan и состояло из 5 устройств ёмкостью от 5 до 40 тыс. эквивалентных логических вентилей (максимум 1862 логические ячейки). Примерно в то же время было выпущено семейство SpartanXL. Отличие между этими семействами заключается в используемом напряжении питания: 5В у Spartan и 3,3В у SpartanXL, которая, тем не менее, допускает работу с 5-вольтовыми устройствами. Архитектура этих семейств базировалась на XC4000, однако сделанные изменения наглядно демонстрировали подход, выбранный Xilinx относительно данной серии. Функциональные возможности логических ячеек были несколько урезаны, однако в общую структуру ПЛИС был внесён ряд дополнений, улучшающих производительность проектов в несложных задачах. В частности, было увеличено количество трассировочных ресурсов внутри матрицы логических ячеек, добавлены специальные трассировочные линии VersaRing, существенно облегчающие подключение матрицы ячеек к выводам ПЛИС, улучшена производительность цепей быстрого переноса. С точки зрения разработчика введённые ограничения прежде всего коснулись одновременного использования входов асинхронного сброса и установки для триггеров логических ячеек. В ячейках в числе прочего был оставлен только один вход асинхронного управления триггером, который мог, впрочем, реализовывать любую из этих функций. Однако в целом архитектура получилась довольно удачной, большинство распространённых схемных решений реализовывалось тем же объёмом ресурсов, что и в XC4000, но общая стоимость новых ПЛИС того же объёма оказалась существенно ниже.
Благодаря относительно низкой для ПЛИС того времени стоимости семейство Spartan сыграло существенную роль в распространении данной технологии. Однако в настоящий момент данные устройства относятся к морально устаревшим. Кроме того, необходимо пояснить ещё один довольно важный момент, связанный с этими семействами микросхем ПЛИС. В 2002 году состоялась смена поколений САПР фирмы Xilinx - на смену пакету Xilinx Foundation Series пришёл САПР Integrated Software Environment. Строго говоря, версия 4.1 содержала как очередную версию Foundation Series, так и новый продукт ISE. Однако дальнейшая поддержка Foundation Series была прекращена. Переход на новую САПР вызвал так же и переход на новый маршрут проектирования микросхем ПЛИС. Если предыдущая линия САПР для внутреннего представления проекта ориентировалась на формат edif, то САПР ISE использует в качестве основного движка язык описания аппаратуры (HDL). Для такого перехода оказалось необходимым переработать файлы описания ПЛИС, подготовив их к работе с новым маршрутом проектирования. При этом семейства Spartan и SpartanXL (как и более ранние FPGA) в число поддерживаемых новой САПР не попали. Фирма Xilinx официально рекомендует использовать для создания проектов для этих семейств ранние версии САПР Xilinx Foundation Series.