Целевые платформы для разработки изделий на основе плис FPGA

26.11.2023 |

Последние разработки компании Xilinx – ПЛИС FPGA Spartan-6 и Vir-tex-6 – отличаются сложной структурой. Для облегчения процесса разработки изделий на основе ПЛИС FPGA компания выпустила целевые платформы разработчика.

А. Мельниченко

Работая в компании LSI (Калифорния, США), будущий президент компании Xilinx М. Гаврилов (Gavrielov) смог оценить, сколь велики затраты труда на разработку и производство новых ИМС. Впоследствии он предложил закладывать в большинство электронных изделий возможность их программирования. Причем, компания Xilinx не только должна поставлять потребителям лучшие микросхемы FPGA, но и выпускать для них набор средств, облегчающих разработку, в том числе оценочные комплекты и необходимую документацию.

Чтобы реализовать этот подход, компания выработала стратегию, представленную на рис. 1 в виде четырехэтажной пирамиды, состоящей из базовой целевой платформы, проблемно-ориентированной платформы и ориентированной на рынок платформы с надстройкой, зависящей от конкретного приложения [1]. Пользователи могут автоматизировать большую часть выполняемого ими этапа проектирования, дополняя его по мере надобности разрабатываемыми проблемно-ориентированными и ориентированными на рынок приложениями к базовой платформе. Такой подход позволит ускорить выпуск изделий на рынок, сосредоточив основные усилия на придании им свойств, выгодно отличающих их от подобных изделий.

Современные микросхемы FPGA, такие как высокопроизводительная Virtex-6 и экономичная Spartan-6, содержат несколько сотен тысяч программируемых логических ячеек, приемопередатчики со скоростью до 11.2 Гбит/с, блоки RAM объемом до 38 Мбит и 2000 секций цифровой обработки сигналов. Микросхемы FPGA могут заменить большинство специализированных микросхем и стать базовыми компонентами при создании электронных устройств следующего поколения. Для облегчения разработки изделий на базе FPGA и более быстрого их выхода на рынок и предназначены целевые платформы.

Основой пирамиды (рис. 1) является базовая целевая платформа. 

Рис. 1. Структура целевой платформы

В июне 2009 г. начат ее выпуск для FPGA Virtex-6 и Spartan-6 в виде оценочных комплектов, содержащих набор последних версий программ, оценочные платы для FPGA Virtex-6 LX240T и Spartan-6 LX16, а также полный набор документации, позволяющий потребителю выполнить весь процесс разработки [2].

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦЕЛЕВЫХ ПЛАТФОРМ

Используя базовую целевую платформу, пользователи могут начать разработку основных функций, обычно свойственных большинству приложений. После чего, в зависимости от той части проекта, над которой они работают, -логические схемы, DSP, встроенное программное обеспечение и т.д. – они могут добавлять к базовой целевой платформе специализированные наборы Xilinx, содержащие инструменты для решения определенных задач, библиотеки, а также расширять возможности оценочных плат, подключая к ним дочерние платы для ускорения проектирования. Проблемно-ориентированные наборы содержат также справочную информацию, позволяющую пользователям включать в свои разработки большое число дополнительных функций.

Компания Xilinx и ее партнеры также разрабатывают платформы, ориентированные на потребности отдельных сегментов рынка. Для них выпускаются специализированные дочерние платы.

По словам управляющего отделом маркетинга компании Xilinx, использование базовой целевой платформы позволяет выполнить примерно 25% всего проекта. Если же в сочетании с ней использовать платформу, ориентированную на решение определенной задачи, эта цифра возрастает до 50%. Разработчики, которые добавят к указанной выше паре еще и платформу, ориентированную на необходимый сегмент рынка, смогут за короткое время выполнить до 75% проекта. Это позволит им сосредоточить основные усилия на увеличении функциональности изделий, обеспечивая их успешное продвижение на рынок.

Создавая целевые платформы, компания Xilinx рассчитывала, что они будут полезны широкому кругу разработчиков: профессионалам, использующим FPGA в течение нескольких лет, разработчикам, которые только начали переходить от специализированных микросхем к FPGA, а также новичкам, имеющим лишь опыт программирования микропроцессоров и не знающим о безграничных возможностях FPGA.

Целевые платформы содержат не только инструменты проектирования, но и примеры проектов. Взяв их за основу и дополнив собственным содержанием, разработчики смогут создавать свои оригинальные проекты.

В ряде случаев, например, для минимизации потребляемой мощности или повышения скорости обработки информации необходимо обновление (полное или частичное) элементной базы изделий с переходом от специализированных микросхем к FPGA. Этот трудоемкий процесс может быть облегчен, если используется целевая платформа. В ней содержатся примеры, помогающие разработчику осуществить такой переход наиболее оптимальным способом.

ОЦЕНОЧНЫЕ КОМПЛЕКТЫ ДЛЯ МИКРОСХЕМ SPARTAN-6 И VIRTEX-6

Основными элементами базовой целевой платформы являются оценочные комплекты SP601 для Spartan-6 и ML605 для Virtex-6, в настоящее время имеющиеся в продаже.

Комплект SP601 (рис. 2) представляет собой недорогой инструмент начального уровня для разработки электронных устройств бытового, развлекательного и иного назначения, построенный на базе FPGA Spartan-6 LX16, отличающихся низкой ценой и малым потреблением энергии. Комплект содержит ЗУ DDR2, флэш-память, Ethernet- и UART-интерфейсы и I/O-порты общего назначения. К нему прилагаются: программный набор ISE Design Suite

Рис. 2. Оценочный комплект SP601

Рис. 3. Оценочный комплект ML605

11.2 WebPACK, примеры проектов, демонстрационный файл, иллюстрирующий начало работы с комплектом, файлы трассировки печатных плат, справочная документация, источник питания.

Комплект ML605 (рис. 3) – масштабируемая среда проектирования изделий на базе FPGA Virtex-6 LX240T. В него входят: быстродействующие последовательные приемопередатчики, блоки PCIe® Gen2, контроллер памяти DDR3, 1Гбит Ethernet и DVI.

В числе его программных продуктов – набор ISE Design Suite 11.2 Logic Edition, остальные – те же, что и в комплекте SP601.

ТРИ ШАГА, НЕОБХОДИМЫХ ДЛЯ НАЧАЛА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Чтобы начать проектирование, компания Xilinx рекомендует пользователям сделать следующих три шага:

1. Соединить кабелем плату с компьютером, подать на нее напряжение питания, загрузить в компьютер программу работы с примером разработки, просмотреть демонстрационный материал и начать работу.

2. Проанализировать различные характеристики имеющегося примера разработки, в том числе его быстродействие.

3. Используя инструменты пакета ISE Design Suite, выполнить настройку приведенного примера разработки, создав новый проект в программном виде. Затем перенести его на оценочную плату и запустить на FPGA.

Программный пакет ISE Design Suite 11.2, разработанный компанией Xilinx, представляет собой комплект инструментов для поддержки FPGA Virtex-6 и Spartan-6. По сравнению с предыдущей версией общее время выполнения программы сократилось вдвое, а оптимизация размещения и трассировки элементов позволила сократить потребление FPGA в динамическом режиме на 10%. Кроме того, объем памяти, необходимый для размещения этого пакета, уменьшился на 28%.

Пакет ISE 11.2 поддерживает симулятор Se-cureIP, совместимый с симуляторами других фирм, таких как Cadence, Mentor Graphics и Synopsys. Кроме того, программные продукты Precision RTL и Precision RTL Plus фирмы Mentor Graphics, как и Synplify Pro и Synplify Premier фирмы Synopsys, поддерживают базовую целевую платформу.

Еще одним ключевым компонентом базовой целевой платформы являются продукты, составляющие интеллектуальную собственность (IP). Примером могут служить выпускаемые компанией Xilinx и ее партнерами разнообразные программные ядра, поддерживающие FPGA Spartan-6 и Virtex-6.

Разрабатываемые проблемно-ориентированные и ориентированные на сегменты рынка предложения содержат некоторые из IP-продуктов. Один из них – контроллер PCI Express® DMA Engine фирмы Northwest Logic.

В третьем квартале 2009 г. компания Xilinx и ее торговый посредник Avnet начали выпуск проблемно-ориентированных комплектов для обеспечения возможности коммуникации и цифровой обработки сигналов, а также ориентированных на сегменты рынка комплектов для передачи видеоинформации и данных.