§ 8.4. Сбис программируемой логики типа "система на кристалле"
Уменьшение топологических норм проектирования и ряд технологических усовершенствований довели уровень интеграции современных микросхем СБИС ПЛ до величин в несколько миллионов эквивалентных вентилей, а быстродействие до тактовых частот в 500...600 и более МГц. На таких кристаллах можно разместить целую систему (процессорную часть, память, интерфейсные схемы и
Доопределение СБИС как "система на кристалле" возникло вследствие двух
факторов. Во-первых, из-за высокого уровня-интеграции, позволяющего
разместить на кристалле схему высокой сложности (систему). При этом разные по
функционированию блоки реализуются одними и теми же аппаратными
средствами благодаря их программируемое™. Такие СБИС обозначаются
англоязычной литературе термином generic. Во-вторых, из-за тога, что СБИС
приобретает специализированные области, выделенные на кристалле для
определенных функций — аппаратные ядра (Hardcores). Системы разного
назначения разделяются, тем не менее, на типовые части, что и ставит вопрос о
целесообразности введения в СБИС ПЛ наряду с программируемой логикой
специализированных областей с заранее определенными функциями.
Введение специализированных аппаратных ядер, имея ряд позитивных следствий, сужает в то же время круг потребителей СБИС, поскольку в сравнении с полностью программируемыми схемами (типа generic) уменьшается их универсальность.
Реализация сложных функций специализированными аппаратными ядрами значительно уменьшает площадь кристалла в сравнении с их реализациями на конфигурируемых логических блоках. Для некоторых аппаратных ядер площадь снижается на порядок, для других меньше. Например, умножитель 8x8, построенный по модифицированному алгоритму Бута и реализованный методами заказного проектирования, разместился на площади в 5 раз меньшей, чем такой же, реализованный на реконфигурируемых логических блоках, обьиных для взятой FPGA.
Таким образом, введение специализированных аппаратных ядер в FPGA и CPLD — процесс противоречивый по результатам. Он сокращает площадь кристалла при реализации сложных функций и ведет к достижению максимального быстродействия, но и таит в себе нежелательные последствия для изготовителя СБИС, т. к. может ощутимо сузить рынок их сбыта, а это ведет к росту цен и потере в какой-то мере конкурентоспособности продукции.
Что же будет преобладать? Здесь ключевой вопрос — какие именно специализированные аппаратные ядра будут выбраны для реализации.
Самый очевидный выбор — блоки ОЗУ. Эти блоки в той или иной мере нужны почти для всех систем, причем некоторые из них требуют очень больших объемов памяти. Выяснились уже и условия эффективного использования ядер памяти — не слишком крупные блоки, возможность изменять организацию памяти, возможность иметь асинхронный и синхронный режимы работы, организовывать буферы FIFO и двухпортовую память. Многие FPGA уже давно основываются на SRAM-ячейках (обычно на каждый конфигурируемый ЛБ тратится 16...32 бит ОЗУ), и эти ячейки могут быть применены не только для конфигурирования ЛБ, но и организуются в простые ОЗУ, которые могут далее объединяться в более емкие регистровые файлы. Однако такой вариант не дает максимального быстродействия и существенно снижает количество доступной пользователю логики кристалла, т. к. каждый 16...32 бита памяти "выводят из строя" целый ЛБ, т. е. по эквивалентной сложностиЛО..,20 логических вентилей.
В среднем блок ОЗУ с заказным проектированием емкостью 256...512 бит может быть реализован на площади в приблизительно 1/10 от той, которая затрачивается на подобный блок, составленный из распределенных на кристалле ячеек памяти конфигурации. Времена доступа также уменьшаются в 1,5...4 раза.
Области ОЗУ— первые и, безусловно, главные специализированные аппаратные ядра. Других не так уж много. Это умножители, используемые в некоторых СБИС ПЛ, а также схемы интерфейса JTAG. Ядра интерфейса JTAG успешно внедрились во многие СБИС ПЛ, поскольку они выполняют важные функции, нужные очень многим, занимают очень небольшую площадь на кристалле и позволяют достичь высокого быстродействия.
Самыми сложными из практически известных ядер являются контроллеры шины PCI, также необходимые в очень многих приложениях и требующие максимального быстродействия.
Семейство СБИС типа APEX 20K/KE
Перспективы существенного расширения перечня реализованных специализированных аппаратных ядер явно ограничены. Для реализации систем на кристалле фирма Altera выпустила семейство СБИС типа APEX 20K/KE построенных по архитектуре, названной Multicore. В них комбинируются табличные методы реализации функций и реализации их двухуровневым структурами, т. е. сочетаются характерные признаки FPGA и CPLD. Имеется встроенная память и гибкая система интерфейсов (рис. 8.21).