SmartFusion2 и IGLOO2 — надежные, экономичные, компактные. Обзор новых семейств ПЛИС корпорации Microsemi

Введение

Основное направление деятельности корпорации Microsemi [1] — производство электронных компонентов повышенной надежности для работы в жестких условиях эксплуатации. Среди ПЛИС, выпускаемых корпорацией, наиболее широко известны (ранее под брендом Actel) радиационно-стойкие семейства ПЛИС: RTAX, RTSX, RT ProASIC 3. Первые два семейства изготовляются уже много лет и практически незаменимы в своих областях применения. Многократно программируемые ПЛИС от Microsemi, выполненные по Flash-технологии, были выпущены позже, поэтому менее известны. Тем не менее эти микросхемы имеют ряд уникальных свойств, сочетание которых может сделать их незаменимыми в широком спектре приложений.

Отметим главное:

• исключительно низкая потребляемая мощность в сочетании с развитыми средствами энергосбережения;
• повышенная надежность, связанная с особенностями архитектуры;
• оптимальное соотношение цены и функциональных возможностей за счет множества разнообразных аппаратных функциональных устройств «на борту»;
• защищенность проекта от незаконного копирования, которая обеспечивается одновременно несколькими разными средствами.

В этой статье мы рассмотрим только два самых новых семейства ПЛИС корпорации Microsemi: IGLOO2 и SmartFusion2. IGLOO2 — это «просто» ПЛИС, а SmartFusion2 — это «система-на-кристалле», то есть в данном случае ПЛИС в сочетании с аппаратным микроконтроллером ARM Cortex-M3. За рамками статьи останутся, например, уникальные системы на кристалле семейства SmartFusion [2] с большим количеством встроенных аналоговых периферийных блоков: АЦП, ЦАП, компараторы, каналы измерения температуры, тока и напряжения. Отметим, что конкурирующие производители ПЛИС только начинают осваивать это направление. Так, фирма Altera в мае 2014 года анонсировала предварительную документацию на семейство ПЛИС MAX 10 [3], в котором из аналоговых блоков есть только АЦП и температурный датчик. К сожалению, в одной журнальной статье невозможно объять всю достойную внимания номенклатуру ПЛИС корпорации Microsemi.

Особенности архитектуры

В основе семейств SmartFusion2 и IGLOO2 лежит одна и та же архитектура ПЛИС. Даже основное описание этих семейств производитель приводит в одном документе [4]. В какой-то степени можно считать, что основное различие между семействами — это наличие в SmartFusion2 микроконтроллерной подсистемы на базе ядра ARM Cortex-M3. Кроме того, набор функциональных блоков в этих семействах заметно различается.

ПЛИС обоих семейств принадлежат к классу так называемых flash-based FPGA. В таких ПЛИС конфигурационная flash-память равномерно распределена по площади кристалла. Это дает следующие преимущества:

• Не требуются микросхема внешней конфигурационной памяти и, соответственно, загрузка конфигурации из нее. Отсюда следуют два полезных свойства:
  — ПЛИС готова к работе практически сразу после включения;
  — во время загрузки конфигурации невозможно подключиться к потоку конфигурационных данных и считать его.
• Такая конфигурационная память не подвержена однократным сбоям (Single-Event Upset, SEU), что повышает надежность в условиях сильных помех и ионизирующих излучений.

Устройства SmartFusion2 и IGLOO2 принадлежат к четвертому поколению flash-based FPGA фирмы Microsemi (ранее Actel) и вдвое превосходят своих предшественников по производительности.

Базовая ячейка матрицы ПЛИС SmartFusion2 и IGLOO2 состоит из комбинационных (combinatorial) и последовательностных (sequential) блоков. Комбинационные блоки (рис. 1) представляют собой четырехвходовые LUT (LookUp Table) с цепями переноса (Carry Chains).

Рис. 1. Базовая ячейка матрицы ПЛИС SmartFusion2 и IGLOO2

Последовательностные блоки в Smart-Fusion2 и IGLOO2 — это отдельные триггеры, которые можно использовать независимо от LUT (рис. 1). Такой триггер может быть сконфигурирован как регистр или как защелка. У него есть вход данных, и опционально могут использоваться вход разрешения и входы асинхронной и синхронной загрузки (сброса и установки).

Функциональные узлы

Оба семейства предоставляют разработчику богатый выбор аппаратных функциональных узлов самого разного назначения. Подробное описание этого разнообразия представлено в [5, 6]. Здесь мы ограничимся лишь простым перечислением. Итак, устройства SmartFusion2 и IGLOO2 содержат:

• схемы формирования тактовых сигналов (Clock Conditioning Circuits, CCC) с узлами фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, PLL) и программируемыми задержками;
• большие блоки двухпортовых ОЗУ (Large SRAM, LSRAM) объемом 18 кбит (18 432 бит);
• малые блоки трехпортовых ОЗУ (Micro SRAM, uSRAM) объемом 1 кбит (1152 бит) с двумя портами для чтения и одним для записи;
• математические блоки с умножителями, сумматорами/вычитателями и управляющими регистрами, оптимизированные для цифровой обработки сигналов;
• узлы ввода/вывода, поддерживающие большое количество стандартов (как униполярные, так и дифференциальные сигналы, с возможностью программирования множества параметров: задержек, выходных токов, триггеров Шмитта и подтягивающих резисторов на входах);
• контроллеры DDR с поддержкой различных видов DDR;
• модули сериализаторов-десериализаторов (SERDES), которые поддерживают различные последовательные интерфейсы, такие как PCI Express 2.0, XAUI, serial gigabit media independent interface (SGMII), serial rapid I/O (SRIO), и любые определяемые пользователем скоростные последовательные протоколы передачи данных;
• модуль JTAG;
• генератор тактовой частоты, к которому можно подключить кварцевый или керамический резонатор или RC-цепь;
• интерфейсы I²C и SPI.

Это неполный список, в котором нет многих очень интересных подробностей.

Надежность

Повышенная надежность систем на основе SmartFusion2 и IGLOO2 обеспечивается за счет следующих свойств и возможностей:

• устойчивость к одиночным сбоям (Single Event Upset, SEU);
• широкий диапазон рабочей температуры кристалла: от -40 до +125 °C;
• исправление одиночных ошибок и обнаружение двойных ошибок (Single Error Correct Double Error Detect, SECDED) для следующих узлов:
  — встроенное ОЗУ;
  — буфер PCIe;
  — контроллеры DDR с опциональным режимом SECDED;
  — для устройств SmartFusion2 — буферы Ethernet, буферы сообщений CAN, память eSRAM для Cortex-M3, буферы USB;
• буферы с защелками, устойчивыми к SEU, для следующих узлов:
  — мосты DDR;
  — SPI FIFO;
• проверка целостности ПЗУ при включении питания и по запросу.

Пониженное энергопотребление

Рекордно низкая потребляемая мощность — это одна из наиболее сильных сторон семейств SmartFusion2 и IGLOO2. В них реализован режим особо низкого потребления Flash*Freeze (таблица). В этом режиме статическое потребление микросхемы может составлять менее 1 мВт. Устройства могут легко входить в этот режим и выходить из него с сохранением текущего состояния, линий ввода/вывода и регистров.

Потребляемая мощность узлов SERDES может быть до 13 мВт/Гбит на канал.

Суммарная экономия потребляемой мощности для устройств SmartFusion2 и IGLOO2 может составлять до 50% по сравнению с конкурирующими решениями.

На рис. 2 представлено сравнение различных составляющих потребляемой мощности для SRAM FPGA и Flash FPGA фирмы Microsemi. При включении питания и во время конфигурации экономятся сотни милливатт.

Рис. 2. Сравнение различных составляющих потребляемой мощности для обычных SRAM FPGA и Flash FPGA фирмы Microsemi

На рис. 3 сравнивается структура ячейки конфигурационной памяти на основе статического ОЗУ и ячейки flash-памяти Microsemi. Первая, в конкурирующих ПЛИС, обычно состоит из шести транзисторов, а в ячейке flash-памяти используется один транзистор, поэтому потребляемая мощность во втором случае уменьшается экспоненциально.

Рис. 3. Сравнение структуры обычной ячейки конфигурационной памяти на основе статического ОЗУ и ячейки flash-памяти Microsemi

Структура ПЛИС семейства IGLOO2

На рис. 4 приведена блок-схема ПЛИС семейства IGLOO2 [7].

Рис. 4. Блок-схема ПЛИС семейства IGLOO2

Структура «системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2

На рис. 5 показана блок-схема «системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2 [8]. Ее основное отличие от ПЛИС семейства IGLOO2 — микроконтроллерная подсистема (Microcontroller Subsystem, MSS). Она содержит следующие блоки:

• аппаратно реализованный 32-разрядный процессор ARM Cortex-M3 со следующими параметрами:
  — тактовая частота 166 МГц;
  — производительность 1,25 DMIPS/МГц;
  — объем кэша инструкций 8 кбайт;
  — модуль защиты памяти;
  — умножение за один цикл, аппаратное деление;
  — отладочные интерфейсы JTAG (четырехпроводный), SWD (Serial Wire Debug, двухпроводный) и SWV (Serial Wire Viewer);
• 64 кбайт встроенного ОЗУ (eSRAM);
• до 512 кбайт встроенного ПЗУ (eNVM);
• трехскоростной модуль Ethernet (Triple Speed Ethernet, TSE) со скоростями 10/100/1000 Mbps, MAC;
• контроллер USB 2.0 High Speed OTG с интерфейсом ULPI;
• контроллер CAN 2.0B, удовлетворяющий требованиям ISO11898-1, 32 передающих и 32 принимающих буфера;
• периферийные блоки SPI, I²C, многорежимные UART (по два экземпляра каждого);
• аппаратный сторожевой таймер;
• один 64-разрядный или два 32-разрядных таймера общего назначения;
• часы реального времени;
• DDR-мост с 64-разрядным интерфейсом AXI;
• неблокирующая многослойная матрица шины AHB, позволяющая подключать несколько ведущих устройств (10 ведущих и 7 ведомых);
• два интерфейса AHB-lite/AHB для подключения структуры ПЛИС (в качестве ведущей или ведомой);
• два контроллера прямого доступа к памяти (DMA).

Рис. 5. Блок-схема «системы-на-кристалле» семейства SmartFusion2

Заключение

Мы познакомились с новейшими семействами ПЛИС корпорации Microsemi: IGLOO2 и SmartFusion2. Сама корпорация считает эти изделия своим основным направлением (mainstream) в области ПЛИС [4].

Семейства SmartFusion2 и IGLOO2 возникли в результате глубокой переработки всего накопленного корпорацией Microsemi опыта по созданию ПЛИС и СНК. Сочетание малопотребляющей Flash-технологии, устойчивой к сбоям конфигурации, с аппаратной возможностью защиты блоков ОЗУ помехоустойчивым кодом оправдывает применение нового семейства в проектах с исключительными требованиями к энергопотреблению, надежности и безопасности. Наличие в одном корпусе ПЛИС, микропроцессорной подсистемы и целого ряда интерфейсных контроллеров предоставляет разработчику широкий спектр возможностей, позволяющих использовать новые семейства как в цифровых комплексах различного назначения, так и в телекоммуникационном оборудовании.

Перед вами первая статья из цикла, посвященного этим ПЛИС. В следующих статьях будут рассмотрены отладочные платы, которые Microsemi предлагает для их освоения, а также учебные проекты с пошаговыми инструкциями по выполнению.