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virterx技术白皮书-1

virterx技术白皮书-1

平台FPGA的兴起随着Virtex系列在片上系统(SoC)应用中的广泛应用,赛灵思(Xilinx)公司引入了平台FPGA(Platform FPGA)的概念。作为领先的可编程逻辑供应商,赛灵思公司利用其基于Virtex的支持可编程逻辑、I/O和计算处理的多功能器件,帮助业界涉足并确立了基于FPGA的SoC设计方法。通过实现大量基于FPGA的RISC处理器和处理器内核,赛灵思在这方面已经证实了自己的实力。最早的例子是于1991年实现Philip Freidin的RISC4005/R16 FPGA处理器。Virtex-II PRO™ 中的Power PC 硬处理器以及所有Virtex FPGA器件都支持的MicroBlaze软处理器内核的推出终于使平台FPGA概念完全成为现实。
由于平台FPGA具有灵活的部件集成能力,集成了可编程I/O、功能全面的时钟,同时显著降低了总体设计成本,因此平台FPGA迅速替代了大量ASIC SOC设计。此外,高性能RISC CPU、 内部RAM块、千兆位高速串行I/O、专用DSP逻辑以及其它系统增强技术的发展,更进一步巩固了平台FPGA超越与之竞争的ASIC SoC器件这一趋势。
架构优势
为使下一代Virtex-4系列具有全面的优势并且进一步大大降低其成本结构,赛灵思公司创造了崭新的架构体系——先进的硅组合模块(ASMBL)架构。作为第四代Virtex FPGA ( Virtex-4 )的基础,ASMBL架构使得赛灵思公司能够低成本高效率地发展多种平台FPGA,而且每种平台FPGA都具备不同的功能特性组合。Virtex-4结合了独特的先进的架构优点,使得平台FPGA革命性的进入了新领域。ASMBL架构使得FPGA在历史上第一次,可根据多种目标应用所需要的功能和/或成本进行多方面的应用优化。
ASMBL这一革命性的平台FPGA概念支持创建不同的功能平台,不同的功能平台中各种的基本功能的比例确定了针对的目标领域(domain)。在Virtex-4 FPGA系列中,最初推出的三个平台主要针对四个应用领域,分别是逻辑领域、DSP领域、高速互连功能领域和嵌入式处理领域。每个平台都有多款规模不同的器件,同一平台中的器件具有大致相同的功能特性组合比例。根据目标应用的成本要求和功能要求,每种器件针对多个应用分类和子分类。器件与应用之间的这种对应关系,------ 意味着一个标准平台器件可以满足范围广泛的特定应用。
很明显的是,业界非常需要具有优化功能组合的多种平台FPGA器件。然而,最终的器件并不一定是完全专用的。由于此类平台FPGA器件可以优化满足大量不同应用的成本和功能特性组合要求,因此能灵活地适应多种应用。此外,采用先进的倒装工艺封装提供了明显的电源和地分布优势,这对于90nm技术是非常重要的,同时此技术还大大改善了平台器件的可编程布线能力。这也意味着平台FPGA器件能够以成本效率最高的方式最佳地满足应用要求,而过去通常只有ASIC、ASSP或其他类似器件才能做到这一点。
“总体成本”优势
技术领先的ASIC和ASSP研发成本很高且设计时间漫长,这一特点迫使它们主要只能应用于经过验证的低风险特大批量应用。ASIC开发成本的迅速上涨更加突显出在领先应用和高风险应用中使用功能越来越强大的平台FPGA的优势。而这正是赛灵思在未来一代器件系列中所努力开拓的。赛灵思公司同时推出三个系列的平台FPGA器件极大地增加了满足特定价位点的应用需求时设计人员的选择范围和灵活性,而且肯定会加快平台FPGA扩展到更多应用领域中的速度。  
FPGA赢得初始设计的另一项不容易被注意到的方面是,预计的目标应用批量通常达不到值得将FPGA设计转换为ASIC或标准单元技术的程度。FPGA零NRE成本所带来的总体成本优势,使得FPGA 对比大批量ASIC或ASSP有优势的总成本批量交叉点进一步上移,从而使得情况前所未有地对FPGA更为有利。对于设计固定后需要更大批量产品的客户来说,他们发现利用赛灵思 EasyPath计划可以使器件成本在量产上进一步降低25%至75%。EasyPatch利用基于客户设计的专门测试文件对器件进行测试。测试过程中仅测试和通过大批量设计文件中使用到器件资源、逻辑和互连资源。这样就降低了测试时间,提高了产量,降低了交付给用户的器件的总成本,并使得用户可以毫无风险地过渡到成本更低的解决方案。
来自iSupply、Gartner Dataquest以及其它来源的业界新闻和报告都确认了这个趋势,即随着时间发展,新启动的ASIC设计越来越少,而FPGA赢得的设计数量则越来越多。因此,随着下一代平台FPGA器件将更多的应用领域定义为目标应用,以及推出更多具革命性的FPGA平台器件,下一代平台FPGA器件将会越来越多的成为硬件芯片的首选,同时ASIC的新设计也会越来越少。   
十年的迅速发展
在过去十年,赛灵思FPGA的功能呈指数式飞速提升,这也展示了Virtex-4系列所带来的极大影响。器件容量提高了250多倍,时钟频率提高了25倍,而存储器带宽和I/O带宽则分别提高了800多倍和1,000多倍。归一化的器件成本(价格)降低了300多倍。与其它硅硬件解决方案相比,FPGA的普及程度越来越高也成为明显的趋势:DSP和RISC处理器供应商承认80%以上的板级设计都使用FPGA器件来提供必需的系统级设计灵活性。  
开发ASMBL架构的主要目的就是要降低成本,Virtex-4系列体现了这一目的。不断降低成本以及适用于更广泛的应用是FPGA发展的明确趋势。在成本方面,一个关键但又经常被忽略的因素是实际使用FPGA器件资源的方式;没有两个人会以同样方式使用技术、系统或软件,通常人们所需要的内容也各不相同。这一事实表明可演化的硬件平台,能够支持个性化的大众市场。Virtex-4进一步将可演化硬件的概念扩展为满足标准产品成本限制的硬件平台,即单个Virtex-4系列包括多种平台FPGA。
ASMBL的条带式设计模式
ASMBL架构最创新的地方是其器件设计效率,即首先设计出少量功能确定的90nm硅硬件列(比较困难的地方),然后再高效地重复利用它们(较简单的任务)来创建出多种多样的器件。赛灵思设计人员可以改变不同功能列的数量和比例来创建一个不同规模的FPGA器件平台或者系列。根据应用所需要的功能属性类型,每种(每个系列)器件最适合于特定类型的应用。特别需要指出的是,就象目前的平台FPGA器件一样,针对特定领域的FPGA系列器件并不是仅仅只能应用于特定的应用领域,因为器件本身内在的灵活性使其可适用于许多不同类型的应用。只不过开始开发时瞄准的是最初的应用领域而已。
Virtex-4:一个系列——多个平台
赛灵思公司通过精心设计的专门流程来确定满足特定客户应用要求的优化功能特性组合。这些组合定义了主要的处理架构类型并由此而确定出逻辑、DSP、高速互连以及嵌入式处理等几个应用领域。Virtex-4的三个平台所具备的基本功能特性比例可满足这四个领域的需要。
所有Virtex-4平台FPGA所共同拥有的是高度灵活的“可编程逻辑”以及其可编程互连资源和I/O结构。对于特定的平台来说,独特的地方在于这些逻辑资源如何与其它特殊功能如RAM, DSP blocks, and I/O配合使用。按照不同的比例组合,各种功能特性就可以创建出适合特定类型的通用处理任务的FPGA平台。无论哪种类型的通用处理任务,实际上适用于相当广泛的多种应用。Virtex-4系列所包括的其它增强功能还有新的DCM™ 数字时钟管理功能块和高速差分时钟树;新的同时更快的块状RAM可以被配置成FIFO;加强型PowerPC405内核带有辅助处理器单元(APU)用于在CPU和逻辑资源间提供直接的接口;改进的源同步接口具备1 Gbps并行I/O 能力;串行收发器支持0.6-11.1 Mbps 速率范围同时带有灵活的DFE接收均衡器;以及用于最高性能数字信号处理的具有乘累加(MAC)运算功能的增强型XtremeDSP单元。各种系统特性都匹配到500MHz时钟频率,根除了系统设计中的瓶颈。
应用领域优化的平台FPGA
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