ProASIC3
Con el avance continuo de la tecnología, FPGA ha mejorado enormemente en densidad lógica, rendimiento y funciones. Al mismo tiempo, el costo de los dispositivos también ha disminuido significativamente, lo que hace que los ingenieros electrónicos tiendan gradualmente a usarlo en más. y más campos. Se utilizan dispositivos lógicos programables en el producto. Después de superar los cuellos de botella del bajo consumo de energía, el bajo costo y la tecnología avanzada, FPGA continúa penetrando en más campos con su programabilidad y flexibilidad. La participación de muchos fabricantes ha hecho que el mercado de FPGA sea más brillante y el mercado de aplicaciones de FPGA es cada vez mayor. y más extenso, el valor de la aplicación también está aumentando.
El desarrollo de FPGA es llamativo, desde los transistores y circuitos integrados originales hasta PLD simples, como GLA, GAL, etc., luego aparecieron CPLD y FPGA. Todo el proceso es largo y tortuoso. . En los más de 20 años transcurridos desde el nacimiento de la primera FPGA en 1985, el desarrollo de la tecnología FPGA ha sido inimaginable. La velocidad, los recursos y la integración han excedido la imaginación de las personas, por lo que todos los ámbitos de la vida han comenzado a prestar atención y. entender FPGA. En la actualidad, los FPGA se pueden dividir aproximadamente en tres categorías en términos de tecnología: tecnología Flash, tecnología SRAM y tecnología Flash SRAM. Cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas y es adecuada para determinadas ocasiones.
Este artículo presenta principalmente la arquitectura interna del FPGA de proceso Flash, que es una tecnología completamente nueva que ayuda a los lectores a comprender la estructura interna, los recursos y las funciones de FPGA, y también ayuda a los lectores a comparar los FPGA con tecnología SRAM existentes. Proporcionar base de referencia.
1. Características de ProASIC3
ProASIC3 es el primer dispositivo en la arquitectura Flash FPGA de tercera generación de Actel. Actualmente es el FPGA Flash más utilizado. Está dirigido principalmente a consumidores y. aplicaciones automotrices y otras aplicaciones sensibles a los costos. Debido a sus características sobresalientes, cada vez más ingenieros recurren a ProASIC3, que tiene las siguientes características: basado en la arquitectura Flash, no se requieren chips de configuración costosos, una solución de un solo chip de 15,000 a 3 millones de puertas de sistema, categorías completas; los usuarios pueden elegir de forma independiente RAM de puerto dual de 504 kbit y memoria FlashROM de usuario Ikbit Máximo 616 E/S disponibles para el usuario Rendimiento máximo de 350 MHz Flash Lock y cifrado AES de 128 bits para proteger el diseño contra robos; ; tiene un buen costo del sistema.
Debido a las características anteriores, Actel puede reemplazar completamente el CPLD existente y algunos FPGA SRAM, y hacer que el producto sea más exclusivo, como mayor seguridad, mayor confiabilidad, menor tamaño y menor costo, etc. Una introducción más detallada a las ventajas de ProASIC3 se describe en la "Conferencia FPGA de Actel basada en la arquitectura Flash (1)". ¿Cuáles son los componentes que componen la FPGA? 2. Conmutador Flash avanzado
La mayor diferencia entre FPGA y ASIC es que es programable, lo que hace que FPGA sea muy flexible y pueda implementar ASIC para muchos propósitos diferentes. Por lo tanto, FPGA se considera un ASIC de uso general. Podemos cambiar sus funciones escribiendo diferentes códigos. Sin embargo, los usuarios no pueden modificar todos los componentes dentro de FPGA. Solo los interruptores entre las conexiones pueden ser modificados por el programa. , el código del programa final también se convierte en el control de estos interruptores. El rendimiento del conmutador determina el rendimiento del FPGA. ProASIC3 utiliza conmutadores Flash, por lo que las ventajas son obvias. Comparemos dos estructuras de interruptores diferentes, como se muestra en la Figura 1.
El interruptor Flash utiliza una tecnología llamada puerta flotante para guardar el estado del interruptor. Las puertas de dos tubos MOS están conectadas entre sí. Uno de los tubos MOS controla la flotación a través de las señales de selección de bits Bitl y Bit2. Los electrones de la puerta se utilizan para realizar programación, borrado, verificación y otras funciones; el otro tubo MOS se utiliza para interconectar otros componentes.
El transistor MOS se enciende cuando la puerta flotante está cargada y se apaga cuando se eliminan los electrones de la puerta flotante. El interruptor Flash solo utiliza dos tubos MOS, por lo que el consumo de energía y el área son menores y se utiliza más espacio para el cableado. Además, esta estructura tiene las características de no transformación.
Los interruptores SRAM utilizan 4 tubos MOS para implementar una estructura de interruptor, y las 2 resistencias pull-up a menudo se reemplazan por tubos MOS, por lo que generalmente se necesitan 6 tubos MOS. Esta estructura consume mucha energía. el estado no se puede guardar después del apagado.
3. Unidades lógicas de grano fino
Todos los FPGA con arquitectura Actel Flash utilizan unidades lógicas de grano fino. Esta es la unidad lógica física más básica de todos los fabricantes de FPGA. Diferentes, pero cada una tiene sus propias ventajas. Las unidades lógicas de algunos fabricantes son LE, mientras que las unidades lógicas de Actel son Tile. Actel utiliza unidades lógicas de grano fino para hacer su estructura más flexible, y cada unidad lógica se puede convertir libremente en un flip-flop o una tabla de búsqueda. Los flip-flops pueden implementar lógica secuencial y las tablas de búsqueda pueden implementar lógica combinacional, como se muestra en la Figura 2. Además de algunos circuitos de compuerta, hay muchos interruptores Flash controlables dentro de la unidad lógica. Estos interruptores hacen que la unidad lógica sea muy flexible, por lo que. La utilización de recursos FPGA de Actel puede acercarse al 100% sin afectar el rendimiento.
La estructura interna de la unidad lógica FPGA de estructura SRAM general es fija y no se puede cambiar de manera flexible. Consiste en un flip-flop y una LUT. Esta es la llamada unidad lógica de estructura de grano grueso. La unidad más pequeña consta de al menos un flip-flop y una LUT. Cuando solo se utiliza el LUT en el diseño, la otra mitad de los recursos del flip-flop se desperdicia.
4. Mejores recursos de cableado
Además de los dos recursos anteriores, un componente muy importante de FPGA son los recursos de cableado, que afectan directamente el rendimiento del diseño de la red global. permite que más señales de alta distribución lleguen a cada flip-flop con el retraso más corto y la mínima fluctuación, y el rendimiento natural será óptimo. ProASIC3 tiene 7 capas de metal, 4 de las cuales se utilizan para cableado, que son: recursos de cableado local ultrarrápidos, recursos efectivos a largo plazo, recursos de alta velocidad a ultra largo plazo y redes de reloj global de alto rendimiento, similares a PCB tableros multicapa como se muestra en la Figura 3. Cada recurso de cableado tiene diferentes longitudes y está disponible para que los usuarios elijan según las condiciones reales.
ProASIC3 tiene hasta 18 redes globales: 6 redes globales en chip y 12 redes globales de cuadrante. En diseños generales, estas redes globales son suficientes. La red global puede transportar algunas señales con una dispersión particularmente grande, como relojes, reinicios, etc., y las rutas de estas señales a menudo desempeñan un papel crítico en el rendimiento de un sistema. . La red global en chip está conectada a cada unidad lógica, mientras que la red global del cuadrante está conectada a las unidades lógicas en ese cuadrante, de modo que el tiempo para llegar a cada unidad lógica es el más corto y aproximadamente igual. La red global también se puede utilizar en segmentos, lo que permitirá que lleguen más señales a la red global y mejorará el rendimiento del sistema.
5. En chip y periféricos en chip de ProASIC3
Se puede decir que los interruptores, las unidades lógicas y los recursos de cableado son los componentes centrales de FPGA. Hoy en día, FPGA se está convirtiendo en. Cada vez más integrado, y muchos periféricos están integrados dentro de FPGA, como PLL, RAM, ROM, etc., ProASIC3 no es una excepción.
ProASIC3 puede proporcionar hasta 6 PLL de bucle de bloqueo de fase simulados. Cada PLL está ubicado en el CCC (circuito de ajuste de reloj). Su frecuencia de entrada es de 1,5 ~ 350 MHz, la frecuencia de salida es de 0,75 N 350 MHz. Tiene 6 módulos de retardo programables, 3 selecciones de fase y hasta 3 salidas de señal de frecuencia diferentes, como se muestra en la Figura 4.
ProASIC3 tiene hasta 504 kbit SRAM en su interior, que puede realizar una verdadera RAM de doble puerto (2 puertos pueden leer y escribir al mismo tiempo) y RAM de 2 puertos al mismo tiempo. Los controladores FIFO que pueden implementar velocidades FIFO, RAM y FIFO en cola de primero en entrar, primero en salir pueden alcanzar los 350 MHz.
ProASIC3 tiene una ROM Flash de 1 kbit para uso de los usuarios. Es similar a las operaciones de ROM ordinarias. Los datos se solidifican en el interior de la FPGA a través del software de la computadora host. durante el funcionamiento. , se puede utilizar para almacenar información como claves, números de serie, números de versión, etc.
ProASIC3 también tiene una función de cifrado súper fuerte. No solo tiene cifrado Flash Lock de 128 bits internamente, sino que también tiene cifrado AES de 128 bits. FlashLock cifra principalmente el chip, mientras que AES cifra los archivos de programación. ProASIC3 tiene un motor de descifrado AES en su interior, que se utiliza para descifrar archivos cifrados con AES. (Continuará)