Конфигурируемый логический блок - КЛБ

4.3. Конфигурируемый логический блок - КЛБ

Базовым элементом КЛБ является логическая ячейка - ЛЯ (Logic Cell — LC). ЛЯ состоит из 4-входового функционального генератора, ло­гики ускоренного переноса и запоминающего элемента. Выход каждого функционального генератора каждой логической ячейки подсоединен к выходу КЛБ и к D-входу триггера. Каждый КЛБ серии Virtex содержит че­тыре логические ячейки, организованные в виде двух одинаковых секций (Рис. 4). На Рис. 5 представлено детальное изображение одной секции.

В дополнение к четырем базовым логическим ячейкам, КЛБ серии Virtex содержит логику, которая позволяет комбинировать ресурсы функциональ­ных генераторов для реализации функций от пяти или шести переменных. Таким образом, при оценке числа эквивалентных системных вентилей для микросхем семейства Virtex, каждый КЛБ приравнивается к 4.5 ЛЯ.

4.3.1. Таблица преобразования

Функциональные генераторы реализованы в виде 4-входовых таблиц преобразования (Look-Up Table — LUT). Кроме использования в качестве функциональных генераторов, каждый LUT-элемент может быть также ис­пользован как синхронное ОЗУ размерностью 16х1 бит. Более того, из двух LUT-элементов в рамках одной секции можно реализовать синхрон­ное ОЗУ размерностью 16х2 бита или 32х1 бит, либо двухпортовое син­хронное ОЗУ размерностью 16х1 бит.

На LUT-элементе микросхемы Virtex может быть реализован 16-раз­рядный сдвиговый регистр, который идеально подходит для захвата высо­коскоростных или пакетных потоков данных. Этот режим может также ис­пользоваться для запоминания данных в приложениях цифровой обработ­ки сигналов.

4.3.2. Запоминающие элементы

Запоминающие элементы в каждой секции КЛБ Virtex могут конфигу­рироваться как динамические триггеры (чувствительные к фронту сигна­ла) D-типа, либо как триггеры-защелки, чувствительные к уровню сигна­ла. D-вход триггера может управляться либо от функционального генератора в рамках той же секции КЛБ, либо непосредственно от входов данной секции КЛБ, минуя функциональные генераторы.

Кроме сигналов синхронизации (Clock) и разрешения синхрониза­ции (Clock Enable — СЕ) в каждой секции КЛБ есть сигналы синхрон­ной установки (Set) и сброса (Reset). Обозначение этих сигналов — SR и BY соответственно. Сигнал SR переводит запоминающий элемент в состояние, определенное для него в конфигурационных данных, а сиг­нал BY — в противоположное состояние. Эти же сигналы могут быть использованы также в качестве асинхронной предустановки (Preset) и очистки (Clear). Все сигналы управления могут быть независимо про-инвертированы. Они подаются на оба триггера в рамках конкретной секции КЛБ.

4.3.3. Дополнительная логика

Дополнительная логика, входящая в каждый КЛБ, представлена двумя мультиплексорами: F5 и F6.

На вход мультиплексора F5 подаются сигналы с выходов функциональных генераторов данной секции КЛБ. Этот узел может работать как функциональ­ный генератор, реализующий любую 5-входовую функцию, либо как мульти­плексор 4:1, либо как некоторая функция от девяти входных переменных.

Аналогично, мультиплексор F6 объединяет выходы всех четырех функ­циональных генераторов КЛБ, используя один из выходов мультиплексора F5. Это позволяет реализовать либо любую 6-входовую функцию, либо мультиплексор 8:1, либо некоторую функцию до 19 переменных.

Каждый КЛБ имеет четыре сквозных линии — по одной на каждую ло­гическую ячейку. Эти линии используются как дополнительные входы данных, либо как дополнительные трассировочные ресурсы, не расходую­щие логические ресурсы.

4.3.4. Арифметическая логика

Каждая ЛЯ содержит специальную логику ускоренного переноса, кото­рая обеспечивает наилучшую реализацию на ПЛИС различных арифмети­ческих функций. КЛБ содержит две отдельные цепи переноса — по одной на каждую секцию. Размерность цепи переноса — два бита на КЛБ.

Арифметическая логика включает в себя элемент, реализующий функ­цию исключающего ИЛИ, который позволяет реализовать однобитовый сумматор в одной логической ячейке.

В каждой логической ячейке имеется элемент, реализующий функ­цию И (AND), который предназначен для построения быстродействую­щих умножителей.

Специальные трассы логики ускоренного переноса могут также исполь­зоваться для каскадного включения функциональных генераторов при необ­ходимости создания функций с большим количеством входных переменных.

4.3.5. Буферы с тремя состояниями

Каждый КЛБ Virtex содержит два буфера с тремя состояниями, кото­рые нагружены на внутренние шины (см. также п. 4.4.4 «Специальные трассировочные ресурсы»). Каждый буфер BUFT имеет независимый вход управления с третьим состоянием и независимый входной контакт.

4.3.6. Блочная память (Block RAM)

В FPGA Virtex встроена особая блочная память (Block Select RAM) большой емкости. Она создана в дополнение к распределенной памяти не­большой емкости (Select RAM), реализованной на таблицах преобразова­ния (Look Up Table RAM — LUTRAM).

Блоки памяти Block Select RAM+ организованы в виде столбцов. Все устройства Virtex содержат два таких столбца, по одному вдоль каждой вертикальной стороны кристалла. Эти колонки увеличивают полный раз­мер кристалла. Каждый блок памяти равен по высоте четырем КЛБ, таким образом, микросхема Virtex, имеющая 64 КЛБ по высоте, содержит 1-6 бло­ков памяти на колонку и 32 блока памяти в целом. В Табл. 5 приводятся ем­кости блочной памяти для различных кристаллов Virtex.

Таблица 5. Емкость блочной памяти.

Каждый блок памяти, как показано на Рис. 6, это полностью синхронное двухпортовое ОЗУ с независимым управлением для каждого порта. Размер­ность шины данных для обоих портов может быть сконфигурирована незави­симо, что позволяет создавать преобразователи размерности шины. В Табл. 6 показаны возможные соотношения размерностей шин данных и адреса.

В кристаллах Virtex созданы специальные трассировочные ресурсы для связи блочной памяти с блоками КЛБ и другими блоками памяти.

4.4. Программируемая трассировочная матрица

Быстродействие проекта, рассчитанного для наихудшего случая, огра­ничивает величина задержки для наиболее длинной трассы. Поэтому архи­тектура трассировочных ресурсов и программы размещения и трассиров­ки создавались с учетом использования их в едином процессе оптимиза­ции. Этот совместный процесс оптимизации минимизирует наиболее длинные пути и, таким образом, создает проект с наилучшей системной производительностью.

Кроме того, совместная оптимизация сокращает время компиляции, так как программное обеспечение и архитектура микросхемы создавались с учетом на­илучшего взаимодействия. Циклы проектирования, таким образом, сократи­лись благодаря более коротким временам каждой из итераций всего процесса.

4.4.1. Локальные связи

Как показано на Рис. 7, в кристалле Virtex созданы локальные трасси­ровочные ресурсы, называемые VersaBlock. Они позволяют реализовать три типа соединений:

1.    Связи между таблицами преобразования (LUT), триггерами и глав­ной трассировочной матрицей (ГТМ).

2.          Внутренние обратные связи КЛБ, которые создают высокоскорост­ные связи с таблицами преобразования в рамках одного КЛБ и позволяют соединять их в виде цепочек с минимальными задержками распростране­ния сигналов.

3.          Прямые трассы, которые создают высокоскоростные соединения с соседними по горизонтали КЛБ, избегая при этом больших задержек, при­сущих трассам ГТМ.

4.4.2. Трассировочные ресурсы общего назначения

Большинство связей в кристаллах Virtex реализуются с помощью трас­сировочных ресурсов общего назначения, и, следовательно, большая часть ресурсов межсоединений связана с этим типом трассировочной иерархии. Трассировочные ресурсы общего назначения расположены в виде горизон­тальных и вертикальных трассировочных каналов и размещены в непосредственной близости от строк и столбцов матрицы, образованной блока­ми КЛБ. Ниже перечислены эти ресурсы:

• Примыкающая к каждому КЛБ главная трассировочная матрица (ГТМ) — это матрица переключателей, с помощью которых комму­тируются горизонтальные и вертикальные трассы и посредством кото­рых блоки КЛБ получают доступ к трассировочным ресурсам общего назначения.

• ГТМ связана в каждом из четырех направлений с соседней ГТМ посредством 24 трасс одинарной длины.

• 96 буферизованных НЕХ-линий трассируют сигналы ГТМ к шести другим ГТМ в каждом из четырех направлений. НЕХ-линии органи­зованы в виде зигзагообразных линий. НЕХ-линии могут подклю­чаться к источникам сигнала только в своих конечных точках или се­рединных (три блока от источника). Одна третья часть НЕХ-линий является двунаправленными, в то время как остальные — однона­правленные.

• 12 длинных линий являются буферизированными, двунаправленными линиями, распространяющими сигналы в микросхеме быстро и эф­фективно. Вертикальные длинные линии имеют протяженность, равную полной высоте кристалла, а горизонтальные длинные линии — полной ширине.

Похожие работы

Разработка двоичного сумматора по модулю 13

Скачать

23688

7

19

... значительно снизить их себестоимость. До недавнего времени, несмотря на все достоинства ПЛИС Xilinx, существовало обстоятельство сдерживающее их применение (особенно недорогих кристаллов при разработке несерийных устройств) — необходимость дополнительных затрат на приобретение пакета программных средств проектирования и программирования. Чтобы устранить это препятствие, фирма Xilinx предоставила ...

Проектирование устройств фильтрации

Скачать

44493

3

33

... диаграмм с сохранением результатов в стандартном формате VCD (Value Change Dump), воспринимаемом всеми системами работы с временными диаграммами. [1] 2.МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ ФИЛЬТРАЦИИ ПО РАБОЧИМ ПАРАМЕТРАМ Методика проектирования фильтров по рабочим параметрам основана на нахождении значений элементов, нармированных по частоте и сопротивлению нагрузки, путём аппроксимации или с ...

Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии

Скачать

138361

13

23

... программирование микроконтроллера, как инструмента накопления данных и управления ресурсами, с учётом необходимой и достаточной степени доступа к конечной аппаратуре. Модуль накопления для задач многомерной мессбауэровской спектрометрии спроектирован с учётом следующих условий: -  Синхронизация накопителя с системой доплеровской модуляции осуществляется внешними тактовыми импульсами “старт” и ...