uklady_fpga_w_przykladach_02(1).pdf
(
802 KB
)
Pobierz
092-096_pld_cz2.indd
K U R S
Układy FPGA
w przykładach, część 2
W drugiej części artykułu
zajmiemy się omówieniem
wyposażenia (po
„mikrokontrolerowemu”: peryferiów)
układów FPGA z rodziny Spartan
3, co ułatwi ich wykorzystywanie
w praktyce. To właśnie wewnętrzne
zespoły konfigurowalnych pamięci,
uniwersalne porty I/O, wbudowane
syntezery sygnałów zegarowych,
sprzętowe zespoły mnożące
i pozostałe – mniej spektakularne
elementy – tworzą potęgę
możliwości współczesnych FPGA.
Już najprostsze układy FPGA
z rodziny Spartan 3 oferują użyt-
kownikom duże zasoby logiczne
i bardzo bogate wyposażenie do-
datkowe, charakteryzujące się dużą
elastycznością i uniwersalnością.
Podstawowe informacje na temat
zasobów dostępnych w tych ukła-
dach zebrano w
tab.
3
.
To właśnie dzięki bogatemu wy-
posażeniu wewnętrznemu układy
FPGA są coraz częściej stosowane
jako platformy
System–on–a–Chip
,
w których są implementowane kom-
pletne systemy cyfrowe łącznie
z „miękkimi” rdzeniami mikroproce-
sorowymi. A to właśnie układy typu
SoC są przyszłością elektroniki.
Budowa układów
Spartan 3
Układy FPGA
(
Field Programmable
Gate Array
) to jeden
z dwóch (drugi to
układy mniejszej ska-
li integracji – CPLD,
czyli
Complex Pro-
grammable Logic
Devices
), produko-
wanych obecnie, ro-
dzajów układów PLD
(
Programmable Logic
Devices
). Układy te
charakteryzują się
regularną budową,
opartą (w przypadku
Rys. 8. Budowa komórki logicznej CLB w układach
Spartan 3
firmy Xilinx) na zespołach wielu
identycznych lub bardzo do siebie
podobnych bloków CLB (
Configu-
rable Logic Block
). Schemat blo-
Rys. 7. Schemat blokowy ilustrujący budowę układów Spartan 3
FPGA – co trzeba o nich wiedzieć – tip 5
Bezpieczeństwo projektów w FPGA
Układy Spartan 3 nie są wyposażone
w zaawansowane mechanizmy ochrony
konfiguracji, co powoduje, że projekty
zagrożone przez „piratów” powinny być
implementowane na bardziej zaawansowanych
pod tym względem układach FPGA. Pamięć
konfigurująca Flash XCF01S (iinne zserii xxS)
jest zabezpieczona przed nieuprawnionym
odczytem przez JTAG, ale w żaden
sposób nie są chronione dane przesyłane
interfejsem szeregowym wykorzystywanym do
konfigurowania FPGA.
92
Elektronika Praktyczna 11/2006
K U R S
List. 1. Opis VHDL dwuportowej pamięci 16 x N (na bazie XAPP464)
––
–– Module: XC3S_RAM16XN_D
––
–– Description: Distributed SelectRAM example
–– Dual Port 16 x N–bit
–– Use template „RAM_16D.vhd”
–– and registered outputs (optional)
––
–– Device: Spartan–3 Family
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
––
–– pragma translate_off
library UNISIM;
use UNISIM.VCOMPONENTS.ALL;
–– pragma translate_on
––
entity XC3S_RAM16XN_D is
generic (
data_width : integer := 8 –– Replace by the data width
);
port (
DATA_IN : in std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
ADDRESS : in std_logic_vector(3 downto 0);
ADDRESS_DP : in std_logic_vector(3 downto 0);
WRITE_EN : in std_logic;
CLK : in std_logic;
O_DATA_OUT : out std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
O_DATA_OUT_DP : out std_logic_vector(data_width–1 downto 0)
);
end XC3S_RAM16XN_D;
––
architecture XC3S_RAM16XN_D_arch of XC3S_RAM16XN_D is
––
–– Components Declarations:
––
component RAM16X1D
–– See initialization example in the reference templates
port (
D : in std_logic;
WE : in std_logic;
WCLK : in std_logic;
A0 : in std_logic;
A1 : in std_logic;
A2 : in std_logic;
A3 : in std_logic;
DPRA0 : in std_logic;
DPRA1 : in std_logic;
DPRA2 : in std_logic;
DPRA3 : in std_logic;
SPO : out std_logic;
DPO : out std_logic
);
end component;
––
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
––
–– Signal Declarations:
signal DATA_OUT : std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
signal DATA_OUT_DP : std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
––
begin
––
–– Registered outputs / Synchronous read
REGISTERED_OUT: process (CLK)
begin
if (CLK’event and CLK = ‚1’) then
O_DATA_OUT <= DATA_OUT;
O_DATA_OUT_DP <= DATA_OUT_DP;
end if;
end process REGISTERED_OUT;
––
–– Distributed SelectRAM Instantiation
RAM16X1D_X: for i in 0 to data_width–1 generate
U_RAM16X1D: RAM16X1D
port map (
D => DATA_IN(i), –– insert input signal
WE => WRITE_EN, –– insert Write Enable signal
WCLK => CLK, –– insert Write Clock signal
A0 => ADDRESS(0), –– insert Address 0 signal port SPO
A1 => ADDRESS(1), –– insert Address 1 signal port SPO
A2 => ADDRESS(2), –– insert Address 2 signal port SPO
A3 => ADDRESS(3), –– insert Address 3 signal port SPO
DPRA0 => ADDRESS_DP(0), –– insert Address 0 signal port DPO
DPRA1 => ADDRESS_DP(1), –– insert Address 1 signal port DPO
DPRA2 => ADDRESS_DP(2), –– insert Address 2 signal port DPO
DPRA3 => ADDRESS_DP(3), –– insert Address 3 signal port DPO
SPO => DATA_OUT(i), –– insert output signal SPO
DPO => DATA_OUT_DP(i) –– insert output signal DPO
);
end generate;
––
end XC3S_RAM16XN_D_arch;
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Plan kursu
1. Wprowadzenie
• Budowa zestawu uruchomie-
niowego
• Programowanie i konfiguracja
układu XC3S200
• Tryby konfiguracji układu
XC3S200
• Zasilanie układu XC3S200
• Linie I/O w układzie
XC3S200
• JTAG jako uniwersalny
interfejs do programowania
i konfigurowania
2.
Budowa, cechy funkcjonalne
i parametry układów FPGA
z rodziny Spartan 3
•
CLB
• IOB
• Globalne sygnały zegarowe
• DCM
• Sprzętowe multiplikatory
• Pamięć BlockRAM
3. Projekty przykładowe
kowy układu z rodziny Spartan 3
pokazano na
rys.
7
. Na schemacie
– poza CLB – widać także pamięci
BlockRAM
, sprzętowe multiplikato-
ry, syntezery przebiegów zegaro-
wych DCM (
Digital Clock Manager
)
oraz komórki I/O o nazwie IOB (
In-
put–Output Block
). Kolejno je omó-
wimy.
CLB
Bloki CLB (w układach Spar-
tan 3 jest ich od 1728 do 74880
sztuk) są zbudowane z 4 bloków
logicznych nazwanych przez fir-
mę Xilinx mianem
slice
. Schemat
ilustrujący rozmieszczenie
slice’ów
w CLB pokazano na
rys.
8
. Jak
widać, od jednej strony
slice’y
są
Rys. 9. Każde ulokowane wewnątrz
matrycy CLB może bezpośrednio
komunikować się z 8 sąsiadującymi
CLB
Elektronika Praktyczna 11/2006
93
K U R S
Jak działa FPGA?
Klasycznym elementem
architektury układów
FPGA są tablice LUT, często zwane
generatorami funkcji logicznych.
Realizują one ustaloną przez
użytkownika funkcję logiczną kilku
(zazwyczaj 3...5) zmiennych. Za
konfigurację – czyli sposób działania
– LUT odpowiada pamięć konfiguracji
SRAM, której zawartość trzeba
odtwarzać po włączeniu zasilania
układu. Do tego celu niezbędna jest
zewnętrzna pamięć nielotna, często
nazywana konfiguratorem.
FPGA – co trzeba o nich wiedzieć – tip 6
Alternatywne możliwości CLB
Bloki CLB, będące podstawowym
konfigurowalnym elementem logicznym
w układach Spartan 3, mogą spełniać także
dodatkowe funkcje: rejestrów przesuwnych
o regulowanej długości oraz pamięci ROM,
SRAM i DualPort SRAM. Pojemności tej
pamięci w układach Spartan 3 mieszczą się
w przedziale 12…520 kb.
w przypadku konieczności ręcznego
(rzadko się to obecnie zdarza) roz-
mieszczania bloków funkcjonalnych
w obrębie FPGA.
Slice
pogrupowa-
no je po dwa (w kolumny) z wy-
dzielonymi szybkimi łańcuchami
propagacji sygnału CARRY, dzięki
czemu możliwe są implementacje
szybko działających bloków logicz-
nych wykorzystujących kaskadowe
przeniesienia (liczniki, arytmometry
itp.). Jak wspomniano, każdy CLB
ulokowany wewnątrz grupy ma
możliwość bezpośredniej komuni-
kacji z sąsiadującymi CLB, jest ich
zazwyczaj 8 (
rys.
9
). Wymiana da-
nych z dalej położonymi CLB od-
bywa się za pomocą dodatkowych
zasobów połączeniowych (
rys.
10
):
– linii długich (
Long Lines
, do-
łączonych do – kolejno – co
szóstego CLB), które są najszyb-
szym traktem komunikacyjnym
wewnątrz FPGA, często wyko-
rzystywanym zamiennie z glo-
balnymi liniami zegarowymi,
– linii 8–krotnych (
Hex Lines
),
które rozprowadzają sygnały na
mniejsze odległości, oferując
większe (niż
Long Lines
) moż-
Rys. 10. Wymianę sygnałów w układach Spartan 3 zapewniają rozbudowa-
ne zasoby połączeniowe o różnych cechach
dołączone do magistral zapewnia-
jących komunikację w obrębie ca-
łego układu FPGA (tzw. połącze-
nia globalne o różnym zasięgu),
od drugiej strony – do magistral
zapewniających komunikację lokal-
ną z sąsiednimi CLB. Każdy
slice
ma własny adres w obrębie CLB
(np. X1Y0), który projektant może
wykorzystać wraz z numerem CLB
Tab. 3. Zestawienie najważniejszych parametrów układów z rodziny Spartan–3
Parametr
Typ układu
XC3S50 XC3S200 XC3S400 XC3S1000 XC3S1500 XC3S2000 XC3S4000 XC3S5000
Liczba bramek
przeliczeniowych
50000 200000 400000 1000000 1500000 2000000 4000000 5000000
Liczba komórek
logicznych
1728 4320 8064 17280 29952 46080 62208 74880
Sprzętowe
multiplikatory
4
12 16 24 32 40 96 104
Pojemność
pamięci Block
RAM
72 kb 216 kb 288 kb 432 kb 576 kb 720 kb 1728 kb 1872 kb
Pojemność
pamięci
rozproszonej
Distributed RAM
12 kb 30 kb 56 kb 120 kb 208 kb 320 kb 432 kb 520 kb
Liczba DCM 2
4
4
4
4
4
4
4
Maksymalna liczba
różnicowych linii
I/O
56 76 116 175 221 270 312 344
Maksymalna liczba
asymetrycznych
linii I/O
124 173 264 391 487 565 712 784
94
Elektronika Praktyczna 11/2006
K U R S
Rys. 11. Budowa
slice’a
www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl
Okazja dla Czytelników EP zainteresowanych układami FPGA
Zestaw sprzętowy wykorzystywany w kursie jest do dostępny do 31.12.2006 na zasadach promocyj-
nych. Zakup zestawu składającego się z modułów ZL9PLD (uniwersalna płytka bazowa) oraz ZL10PLD
(modułu DIP z układem XC3S200 z rodziny Spartan 3 firmy Xilinx) jest premiowany programatorem
ZL4PRG (odpowiednik DLC III), za pomocą którego można programować i konfigurować w systemie
układy CPLD i FPGA firmy Xilinx.
www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl • www.sklep.avt.pl
Elektronika Praktyczna 11/2006
95
K U R S
List. 2. Opis VHDL dwuportowej pamięci 16 x N (na bazie XAPP464)
––
–– Module: XC3S_RAM16XN_S
––
–– Description: Distributed SelectRAM example
–– Single Port 16 x N–bit
–– Use template „RAM_16S.vhd”
–– and registered outputs (optional)
––
–– Device: Spartan–3 Family
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
library IEEE;
use IEEE.std_logic_1164.all;
––
–– pragma translate_off
library UNISIM;
use UNISIM.VCOMPONENTS.ALL;
–– pragma translate_on
––
entity XC3S_RAM16XN_S is
generic (
data_width : integer := 8 –– Replace by the data width
);
port (
DATA_IN : in std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
ADDRESS : in std_logic_vector(3 downto 0);
WRITE_EN : in std_logic;
CLK : in std_logic;
O_DATA_OUT : out std_logic_vector(data_width–1 downto 0)
);
end XC3S_RAM16XN_S;
––
architecture XC3S_RAM16XN_S_arch of XC3S_RAM16XN_S is
––
–– Components Declarations:
––
component RAM16X1S
–– See initialization example in the reference templates
port (
D : in std_logic;
WE : in std_logic;
WCLK : in std_logic;
A0 : in std_logic;
A1 : in std_logic;
A2 : in std_logic;
A3 : in std_logic;
O : out std_logic
);
end component;
––
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
––
–– Signal Declarations:
signal DATA_OUT : std_logic_vector(data_width–1 downto 0);
––
begin
––
–– Registered outputs / Synchronous read
REGISTERED_OUT: process (CLK)
begin
if (CLK’event and CLK = ‚1’) then
O_DATA_OUT <= DATA_OUT;
end if;
end process REGISTERED_OUT;
––
–– Distributed SelectRAM Instantiation
RAM16X1S_X: for i in 0 to data_width–1 generate
U_RAM16X1S: RAM16X1S
port map (
D => DATA_IN(i), –– insert input signal
WE => WRITE_EN, –– insert Write Enable signal
WCLK => CLK, –– insert Write Clock signal
A0 => ADDRESS(0), –– insert Address 0 signal
A1 => ADDRESS(1), –– insert Address 1 signal
A2 => ADDRESS(2), –– insert Address 2 signal
A3 => ADDRESS(3), –– insert Address 3 signal
O => DATA_OUT(i) –– insert output signal
);
end generate;
––
end XC3S_RAM16XN_S_arch;
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
układach FPGA. Każdy
slice
wy-
posażono w dwie konfigurowalne
tablice LUT (F–LUT i G–LUT), na
wejścia których są podawane 4
sygnały (zmienne). Tablice te speł-
niają rolę konfigurowalnych, kom-
binacyjnych funktorów logicznych
(często są nazywane generatorami
funkcji), które umożliwiają wyko-
nanie dowolnej funkcji logicznej
do 4 zmiennych wejściowych. Na
wyjściu LUT ulokowano przerzut-
nik, którego sposób działania (czyli
jego typ) można także skonfiguro-
wać. Na schemacie pokazanym na
rys. 11 zilustrowano budowę
slice’y
X0Y1 i X0Y0 (rys. 8), które wy-
posażono w sprzętowe rozszerzenia
(zaznaczone na rys. 11 linią prze-
rywaną) pozwalające skonfigurować
je jako rejestry przesuwne lub ze-
społy rozproszonej pamięci (tzw.
Distributed RAM
).
Slice’y
X1Y0
i X1Y1 mają nieco prostszą budo-
wę (bez fragmentów oznaczonych
liniami przerywanymi na rys. 11),
co ogranicza ich funkcjonalność do
znanej z klasycznych wersji FPGA.
O ile – w większości przypadków
– możliwość wygodnej implemen-
tacji rejestrów przesuwających nie
budzi specjalnych emocji, to moż-
liwość uzyskania dodatkowych za-
sobów pamięciowych w LUT bywa
atutem nie do pogardzenia. W każ-
dym CLB można zaimplemento-
wać pamięć ROM o pojemności do
128x1 bitów, pamięć SRAM o po-
jemności do 64x1 bitów (co ozna-
cza, że możliwe są także warianty
2x32x1 lub 4x16x1) lub pamięć
DualPortRAM o pojemności 2x16x1
bit. Pamięci te – dzięki rejestrom
na wyjściach CLB – można wypo-
sażyć w mechanizmy synchronizacji
odczytu danych.
Na
list.
1
przedstawiono opis
w języku VHDL dwuportowej pa-
mięci SRAM implementowanej
w zasobach
Distributed RAM
, a na
list.
2
opis pamięci jednoporto-
wej (obydwie o organizacji 16xN,
w obydwu zastosowano synchro-
niczny odczyt danych). Prezento-
wane przykłady pochodzą z przy-
kładów przygotowanych przez in-
żynierów firmy Xilinx do noty
aplikacyjnej XAPP464 (publikujemy
na CD–EP11/2006B).
Jacek Majewski
jacek.majewski@pwr.wroc.pl
Piotr Zbysiński, EP
piotr.zbysinski@ep.com.pl
liwości połączeniowe i są dołą-
czone do co trzeciego CLB,
– linii podwójnych (
Double Lines
),
które zapewniają bezpośrednią
komunikację pomiędzy pozosta-
łymi CLB.
W
slice’ach
tworzących CLB ulo-
kowano zasoby logiczne, których
nawet pobieżna analiza (choćby na
schemacie pokazanym na
rys.
11
)
pokazuje ogrom możliwości i ela-
styczność tych komórek, których
– ogólnie rzecz ujmując – budowa
jest taka sama jak w pierwszych
96
Elektronika Praktyczna 11/2006
Plik z chomika:
AngelsDisaster
Inne pliki z tego folderu:
uklady_fpga_w_przykladach_05(1).pdf
(693 KB)
uklady_fpga_w_przykladach_04(1).pdf
(890 KB)
uklady_fpga_w_przykladach_03(1).pdf
(620 KB)
uklady_fpga_w_przykladach_02(2).pdf
(802 KB)
uklady_fpga_w_przykladach_01.pdf
(1882 KB)
Inne foldery tego chomika:
Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych
Elektronika 2
Instalacje
Tranzystory
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin