Семейство ПЛИС Virtex-5 FXT с встроенным процессорным ядром PowerPC 440

Характеристики ПЛИС новой платформы

Virtex–5 FXT — последняя платформа в семействе высокопроизводительных FPGA фирмы Xilinx, выполненных с технологическими нормами 65 нм. Начиная с предыдущего поколения FPGA Xilinx использует модульную архитектуру высокопроизводительных FPGA, названную ASMBL (Advanced Silicon Modular Block), что позволило в рамках одного семейства Virtex–4 выпустить сразу три платформы ПЛИС, различавшихся соотношением основных ресурсов — логических ячеек, блоков цифровой обработки, памяти и специализированных модулей (процессорных ядер и высокоскоростных приемопередатчиков). Широкие функциональные возможности в приложениях коммуникации, которые предоставили аппаратные приемопередатчики, привели к тому, что в Virtex–5 такие устройства были размещены и в ПЛИС без аппаратных процессорных ядер — LXT и SXT. Теперь же, правда, с некоторой задержкой относительно выхода предыдущих платформ, появились устройства Virtex–5 FXT, содержащие как приемопередатчики (на что указывает буква T в обозначении), так и аппаратные ядра процессора PowerPC. Характеристики этих ПЛИС приведены в таблице 1. Ячейка Virtex–5 содержит четыре секции, так что для определения количества триггеров и логических генераторов необходимо умножить на 4 количество ячеек, указанное в таблице. Легко заметить, что получающиеся цифры меньше, чем величины, приведенные в обозначении ПЛИС. Это связано с тем, что Xilinx проводит оценку емкости в «стандартных ячейках», содержащих триггер и 4–входовый логический генератор, тогда как в Virtex–5 LUT имеют шесть входов.

В последней колонке приведено количество скоростных приемопередатчиков Rocket IO GTX, которые отличают данное семейство даже от других платформ Virtex–5 с приемопередатчиками (LXT, SXT). В них используются модули Rocket IO GTP, способные осуществлять обмен данными со скоростями 100–3750 Мбит/с, тогда как у ядер GTX возможные значения скоростей составляют 150–6500 Мбит/с.

Важной частью таблицы является колонка, обозначенная как PPC. В этой колонке приведено количество процессорных ядер PowerPC 440, которые заменили уже применявшиеся в предыдущих поколениях ПЛИС Xilinx ядра PowerPC 405. Основные сравнительные характеристики этих ядер приведены в таблице 2, а структурное изображение процессорного ядра PowerPC 440 и сопутствующих элементов показано на рис. 1.

На рис. 1 можно видеть, что обмен данными с основными накристальными устройствами происходит через устройство коммутации (crossbar). Это устройство позволяет разгрузить основную шину процессора PLB, поскольку к ней в проектах на базе ПЛИС оказываются подключенными сразу несколько устройств с большим трафиком. Например, при одновременном подключении высокоскоростной внешней памяти и контроллера Ethernet каждое из этих устройств само по себе обладает неплохими характеристиками, но их присутствие на одной и той же шине сразу снижает максимальные скорости обмена данными. Пример системы, использующей несколько скоростных интерфейсов, показан на рис. 2. На нем можно видеть, что такие требовательные к ресурсам системной шины устройства, как внешняя память, EMAC, PCIe, имеют собственные подключения к коммутатору, что позволяет перераспределять потоки данных (например, выполнять прямой доступ в память).

Ядро PowerPC 440 имеет 7–уровневый конвейер и позволяет запускать исполнение двух команд одновременно (наподобие первого поколения процессоров Intel Pentium, имеющих U– и V–конвейеры). Дополнительно используется технология переупорядочивания команд (out–of–order execution), которая на аппаратном уровне пытается уменьшить взаимозависимость команд по данным, если это возможно. Итоговая производительность ядра оценивается в 1100 DMIPS (два ядра в старших ПЛИС дадут уже 2200 DMIPS). Подобный уровень производительности более чем достаточен для запуска современных операционных систем, и такие продукты, как uLinux, Linux, VxWorks, QNX, заняли прочное место среди тестовых примеров, предлагаемых для ПЛИС верхнего уровня. Что важно, разработчик при этом получает ОС, если и не полностью «из коробки», то, по крайней мере, с просматриваемым путем установки и запуска ее на собственной аппаратной платформе.

Отладочная плата ML507 на основе Virtex–5 FXT

Для ознакомления с ПЛИС Virtex–5 FXT фирма Xilinx выпустила стартовый набор ML–507. Эта плата имеет тот же набор периферии, что и ML–505 на базе LXT, и ML–506 на базе SXT, и ту же топологию печатных проводников, что позволяет разработчику в процессе проектирования оперативно переходить к ПЛИС с другим соотношением ресурсов без необходимости заново проектировать контроллеры периферийных устройств. Практически, эти платы заменяют по своему назначению довольно популярную серию плат ML–401/402/403. Внешний вид ML–507 показан на рис. 3. Несмотря на то, что плата выполнена как плата расширения для PC и может быть вставлена в слот PCI–Express, возможна и автономная работа при условии подачи внешнего питания.

На плате (рис. 3) установлена микросхема XC5VFX70TFFG1136, а также следующие устройства.

1. Память и средства загрузки:
   • DDR2 SODIMM (256 Mбайт),
   • ZBT SRAM ( 1 Mбайт),
   • Linear Flash ( 32 Mбайт),
   • System ACE CF technology (CompactFlash),
   • Platform Flash,
   • SPI Flash,
   • JTAG.
2. Интерфейсы на базе GTP:
   • MII, GMII, RGMII и SGMII Ethernet PHY,
   • краевой разъем PCI Express (x1 Endpoint),
   • GTP: SFP (1000Base–X),
   • GTP: SMA (дифференциальные пары RX и TX),
   • GTP: SGMII,
   • GTP: PCIe,
   • GTP: SATA (сдвоенный хост),
   • микросхема генератора тактовых сигналов для GTP.
3. Прочие интерфейсы:
   • разъемы для внешних тактовых сигналов (2 дифференциальные пары),
   • USB (2),
   • PS/2 (2) — клавиатура, мышь,
   • RJ–45 — 10/100/1000 Мбит/с,
   • RS–232 (Male) — последовательный порт,
   • Audio In (2) — линейный вход, микрофон,
   • Audio Out (2) — линейный выход, SPDIF, пьезодинамик,
   • вращающийся энкодер,
   • видеовход,
   • видеовыход (DVI/VGA),
   • однопроводные и дифференциальные разъемы общего назначения.

Плата поддержана САПР EDK 10.1 SP1, с помощью которой можно быстро создать систему на кристалле под управлением PowerPC или Microblaze. Большое внимание в версии 10.1 линейки САПР Xilinx уделено ускорению вычислений в системах на базе аппаратных процессорных ядер и софт–процессоров. Для PowerPC доступно подключение модулей расширения системы команд с помощью ячеек ПЛИС (APU — Auxiliary Processor Unit). Сопроцессор для выполнения операций с плавающей точкой наконецто прочно занял позицию среди таких устройств, и по сравнению с предыдущими версиями технические ограничения на его использование были существенно уменьшены. В частности, расширен частотный диапазон и соотношение частот процессора и системной шины, при которых FPU работоспособен. Для аппаратных приемопередатчиков существует возможность простого подключения к локальной шине процессора, и, таким образом, система на кристалле сразу получает доступ к накристальному оборудованию, в том числе под управлением языков высокого уровня. Примеры проектов, предлагаемые Xilinx для ML–507, включают в себя и средства обмена данными с помощью аппаратных приемопередатчиков.

Выводы

Платформа Virtex–5 FXT завершила линейку высокопроизводительных FPGA фирмы Xilinx, выполненных с технологическими нормами 65 нм. Представление на рынке всех анонсированных ранее устройств нового семейства формально открывает для Xilinx путь к освоению следующего поколения FPGA верхнего уровня, хотя следует признать, что платформа FXT несколько задержалась как относительно прочих представителей семейства Virtex–5, так и в сравнении с ситуацией на рынке. С другой стороны, в последнее время Xilinx придерживается политики представления информации только об уже готовых к заказу микросхемах, и Virtex–5 FXT в этом плане не является исключением. Теперь следующей важной вехой должен стать переход к технологическим нормам 45 нм, и отказ Xilinx от ранних анонсов семейств с низкой степенью готовности создает определенную интригу. Если учесть, что Virtex–5 прекрасно отразили принципиальные улучшения, внесенные в микроэлектронику 65–нм техпроцессом, можно только догадываться, что ожидает разработчиков аппаратуры на базе ПЛИС от возможного следующего поколения продуктов Xilinx.