Михаил Кузелин

ПЛИС CPLD компании Xilinx с малым потреблением. Серия CoolRunnerв

Выпускаемые в настоящее время ПЛИС c архитектурой CPLD представляют собой программируемые пользователем интегральные схемы малой логической емкости (до 13 000 вентилей), которые могут перепрограммироваться непосредственно в устройстве и сохранять конфигурацию при выключенном питании. Они производятся по EEPROM или Fast Flash КМОП-технологии. Обладая массой преимуществ при использовании в стационарных устройствах, эти ПЛИС имеют очень существенный недостаток, не позволяющий использовать их в мобильных системах: это большое потребление тока как в статическом (десятки миллиампер), так и в динамическом (несколько сотен миллиампер при работе на частотах в несколько десятков мегагерц) режимах. Единственной серией ПЛИС CPLD, лишенной этого недостатка является серия CoolRunner, выпускаемая компанией Xilinx. В 2001 г. начат выпуск нового семейства ПЛИС серии CoolRunner® — семейства XPLA3.

Семейство ПЛИС XPLA3 (eXtended Programmable Logic Array) является дальнейшим развитием серии CoolRunner®. Микросхемы семейства XPLA3 предназначены для использования в системах с низким потреблением тока, которые включают мобильные, карманные и другие критичные к энергопотреблению приложения. Каждый кристалл семейства XPLA3 производится с использованием технологии FZP (Fast Zero Power). Технология FZP позволяет производить кристаллы с задержкой распространения «контакт-контакт» до 5 нс при потребляемом токе менее 100 мкА в статике без использования дополнительных схем перевода в малое потребление. Такое низкое потребление (более чем в 100 раз меньше, чем у микросхем CPLD других производителей) обусловлено применением методики, основанной полностью на КМОП-принципах. В отличие от других CPLD, где используются методы усиления считывания для реализации логических произведений, применяемых со времен биполярных технологий, в CPLD серии CoolRunner® применяются каскадные цепи КМОП-вентилей. Потребление тока в динамике для МС серии CoolRunner® также значительно ниже (в 3–4 раза), чем для всех остальных ПЛИС с архитектурой CPLD.

Разработка конфигурации кристалла семейства XPLA3 осуществляется с помощью пакета программного обеспечения WebPACK. Пакет включает в себя программы схемного и текстового (Abel, VHDL) ввода, программу верификации, трассировки и программирования. Разработка осуществляется на ПК или рабочей станции. Пакет можно загрузить с сайта http://www.xilinx.com/products/software/webpowered.htm.

Для программирования МС семейства XPLA3 не требуется программатор. Перепрограммирование осуществляется сигналами от элементов с напряжением питания 3,3 В через специальные выводы МС (JTAG-порт) в той же системе, в которой и применяется данная ПЛИС. Минимальное число циклов перепрограммирования МС превышает 1000. Записанная конфигурация может сохраняться более 20 лет. Программирование и перепрограммирование, помимо программирования/перепрограммирования в системе, также может осуществляться программаторами таких производителей, как Data I/O, BP Microsystems, SMS и др.

В состав семейства XPLA3 входит шесть МС, емкостью от 32 до 512 макроячеек (от 800 до 12 800 логических вентилей соответственно) в различных корпусах. Все МС семейства XPLA3 совместимы по контактам, что обеспечивает возможность легкого перехода от одной МС к другой в том же корпусе.

Параметры микросхем семейства XPLA3 представлены в табл. 1. Таблица 2 дает представление о том, какие микросхемы в каких корпусах выпускаются.

Таблица 1. Параметры микросхем семейства XPLA3

Таблица 2. Корпуса и пользовательские контакты микросхем семейства XPLA3

Описание архитектуры семейства XPLA3

На рис. 1 представлена блок-схема архитектуры кристалла семейства XPLA3, содержащего 128 макроячеек. Каждая МС семейства XPLA3 представляет собой подсистему, состоящую из множества функциональных блоков (ФБ), соединенных переключающей матрицей ZIA (Zero-power Interconnect Array). ZIA является виртуальным матричным коммутатором. Каждый функциональный блок имеет 36 входов от ZIA и включает в себя 16 макроячеек.

Рис. 1. Архитектура МС семейства XPLA3

На первый взгляд архитектура полностью идентична архитектуре других ПЛИС CPLD. Отличие заключается в реализации логических функций внутри ФБ и в методах реализации самих ФБ в кристалле.

Архитектура ФБ

Рис. 2. Примеры PLA-матрицы и PAL-матрицы	Рис. 3. Архитектура функционального блока семейства XPLA3

На рис. 3 показана архитектура функционального блока. Каждый ФБ содержит PLA-матрицу, которая генерирует управляющие термы, термы синхронизации и логические функции. PLA-матрица отличается от PAL-матрицы тем, что она состоит из программируемой матрицы элементов И, за которой следует программируемая матрица элементов ИЛИ. PAL-матрица содержит фиксированную матрицу элементов ИЛИ (рис. 2). Входы PLA-матрицы напрямую подключены к выходам переключающей матрицы ZIA. PAL-матрица имеет 36 пар прямых и инверсных входов, которые формируют 48 термов. Среди них восемь — локальные управляющие термы (LCT[0:7]), доступные для любой макроячейки данного ФБ как асинхронный тактовый сигнал, сигнал сброса, установки и разрешения выхода. Если эти термы не задействованы как управляющие, они могут использоваться для реализации логических функций пользователя.

В каждом ФБ существует восемь термов (PT[8:15]), которые осуществляют обратную связь через элемент И-НЕ внутри ФБ. Эта особенность ФБ может использоваться для увеличения логической емкости при реализации сложных логических функций. Не использованные для реализации обратной связи термы PT[8:15], так же как и LCT[0:7], могут быть использованы для реализации логических функций пользователя.

Рис. 4. Мультиплексор VFM

Шестнадцать термов PT[16:31] доступны для каждой макроячейки (1 терм на одну макроячейку) для реализации логики, критичной к задержкам. Если требуется более одного терма для макроячейки, то могут быть использованы дополнительные 47 термов, предварительно просуммированные, а затем мультиплексированные с термом, отведенным под макроячейку, через специальный мультиплексор VFM (Variable Function Multiplexer). Мультиплексор VFM представлен на рис. 4.

Архитектура макроячейки

На рис. 5 показана архитектура макроячейки микросхем семейства XPLA3. Каждая макроячейка может реализовывать комбинаторную или регистровую функцию. Управление регистра макроячейки может быть запрограммировано на асинхронный сброс, предустановку, а также установку в определенное состояние при включении питания. Регистр макроячейки может быть сконфигурирован как D-триггер, T-триггер, регистр-защелка или не задействован, если макроячейка необходима для реализации комбинаторной функции.

Рис. 5. Архитектура макроячейки МС семейства XPLA3

Каждый из указанных выше триггеров может тактироваться от любого из восьми источников сигнала или его инверсии. К этим источникам тактовых сигналов относятся два глобальных тактовых сигнала, выбранные из четырех глобальных сигналов, поступающих напрямую от контактов микросхемы; общий сигнал синхронизации (терм от одного из ФБ кристалла); локальные термы управления (из данного ФБ) — LCT[4:7]; терм синхронизации PTC.

В макроячейке существуют две мультиплексные связи с переключающей матрицей ZIA. Один мультиплексор выбирает либо выход мультиплексора VFM, либо выход регистра. Другой мультиплексор выбирает либо выход регистра, либо сигнал с контакта микросхемы. Когда контакт ввода/вывода используется как выход, выходной буфер задействован, линия обратной связи макроячейки может быть использована для реализации обратной связи внутри макроячейки. Когда контакт ввода/вывода используется как вход, выходной буфер переведен в третье состояние и соединение контакта ввода/вывода с переключающей матрицей осуществляется через линию обратной связи ячейки ввода/вывода. Если контакт микросхемы используется как регистровый вход, то соединение контакта и входа регистра осуществляется по линии прямой связи, что обеспечивает минимальное время установки сигнала. Если регистр макроячейки сконфигурирован как регистр-защелка, то вход разрешения тактирования регистра макроячейки не функционирует.

Ячейка ввода/вывода (ЯВВ)

Блок-схема ячейки ввода/вывода показана на рис. 6. Мультиплексор разрешения выхода (OE) выходного буфера имеет восемь входов. Коды на входах управления мультиплексора и соответствующие состояния выхода перечислены в таблице на рис. 6. При использовании ЯВВ как входа возможно включение pull-up резистора (WP). Если ЯВВ не используется в проекте пользователя, то программа проектирования автоматически включает WP, поэтому не использованные контакты на плате можно оставлять не подключенными. В то же время контакты двойного назначения (CLKx/INx) не имеют внутреннего резистора pull-up, поэтому если они не задействованы, то на плате к ним нужно подключить внешний резистор.

Рис. 6. Ячейка ввода/вывода

ЯВВ совместима с сигналами 5-вольтовой логики, но сигналы можно подавать только после подачи питания на все отведенные под питание контакты микросхемы. Выходы микросхем семейства XPLA3 полностью совместимы с 3,3-вольтовым PCI. Для уменьшения дребезга фронта сигнала в ЯВВ существует программируемая схема управления задержкой.

JTAG

JTAG — часто используемый акроним стандарта периферийного сканирования JTAG IEEE 1149.1. Данный стандарт определяет контакты, функции логики управления и команды, позволяющие проводить тестирование как интегральных микросхем, так и печатных плат, не применяя специализированного тестового оборудования. В МС семейства XPLA3 JTAG применяется для программирования/перепрограммирования МС непосредственно в готовом устройстве. В табл. 3 представлены JTAG-команды, поддерживаемые МС семейства XPLA3.

Таблица 3. Команды периферийного сканирования JTAG.

В МС семейства XPLA3 реализованы четыре из пяти контактов, описанных в спецификации стандарта JTAG: TMS, TDO, TCK и TDI (табл. 4). Пятый сигнал из спецификации (TRST — сброс теста) не реализован в МС семейства XPLA3, так как он не является необходимым для осуществления операций периферийного сканирования и программирования в системе. Это позволяет высвободить контакт для его использования. Сброс теста осуществляется через цепь сброса-установки, которая используется для инициализации при включении питания.

Таблица 4. Описание JTAG-контактов

Контакт разрешения JTAG-порта

Контакты TMS, TDO, TCK и TDI в МС семейства XPLA3 могут быть запрограммированы как пользовательские. Для активации их как контактов JTAG-порта используется специальный контакт разрешения — Port Enable. Для простоты использования МС поставляются с запрограммированными как JTAG-порт контактами TMS, TDO, TCK и TDI. Для корректной работы микросхемы контакт Port Enable должен удерживаться при включении питания в состоянии лог. 0.

При программировании МС эти контакты могут быть запрограммированы на выполнение пользовательских функций или оставлены как JTAG-порт. В случае программирования их как пользовательских перевод в режим JTAG-порта осуществляется подачей уровня лог. 1 на контакт Port Enable. В случае если эти контакты используются только как JTAG-порт, контакт Port Enable должен быть постоянно соединен с «землей». Контакты JTAG-порта внутренне подтянуты к уровню лог. 1, и при сильных наводках рекомендуется подключить внешние pull-up резисторы сопротивлением 10 кОм.

Программирование/перепрограммирование в системе

Микросхемы XPLA3 могут быть запрограммированы и перепрограммированы непосредственно в системе от компьютера. В кристалл встроена схема, обеспечивающая необходимые напряжения программирования, превосходящие напряжение питания 3,3 В. Данная схема позволяет запрограммировать МС, используя 3-вольтовое питание, применяемое в рабочем режиме без использования дополнительных цепей. Команды программирования в системе описаны в табл. 5.

Таблица 5. Команды программирования в системе

Основные свойства ПЛИС CPLD серии CoolRunner®

mike@inlinegroup.ru