Reeds behandelde PLD-soorten:

1. Reeds behandelde PLD-soorten: • PROM, PLA, PAL, GAL en CPLD • allen gebaseerd op de basisstructuur van AND-poorten en OR-poorten om logische functies samen te stellen • PROM met vaste AND-matrix en programmeerbare OR-matrix • PLA met programmeerbare AND- èn OR-matrix • PAL met programmeerbare AND-matrix en vaste OR-matrix • GAL met programmeerbare AND-matrix en vaste OR-matrix en vrij configureerbare uitgangsblok om tientallen verschillende PALs te kunnen vervangen • EPLD of CPLD met verschillende GAL-achtige blokken met daartussen een programmable interconnect • gebruikte programmeertechnieken • opblaasbare zekeringen (snel, maar eenmalig) • EPROM (UV-wisbaar) • E²PROM (elektrisch wisbaar, eventueel ISP)

2. Volledig andere benadering : FPGA Input/Output Block • Field Programmable Gate Array • is niet meer gebaseerd op de basis-structuur met AND- en OR-matrix om logische functies samen te stellen • is daarentegen opgebouwd als een array (matrix) van allemaal bouwblokjes waarin beperkte functies kunnen ondergebracht worden (configurable logic blocks) • tussen deze blokjes worden routing channels voorzien om de nodige verbindingen te kunnen realiseren • tenslotte is dit geheel omgeven door een ring van input/output blocks, waarin de verbindingen naar de pennen van het IC wordengerealiseerd Configurable Logic Block Routing Channels

3. Programmeertechniek bij de FPGA • Niet alleen de structuur van de FPGA is anders dan bij de voorheen behandelde soorten, ook de manier om de FPGA te configureren verschilt • FPGA hanteert SRAM-cellen als configuratiegeheugen • Dit heeft duidelijk nadelen : • SRAM is vluchtig • telkens de spanning wegvalt, is de FPGA zijn configuratie (denk maar: zijn schema of zijn schakeling) kwijt • zal telkens opnieuw moeten geconfigureerd worden • vanuit een vast geheugen • vanuit een externe PC • ...

4. Programmeertechniek bij de FPGA • Niet alleen de structuur van de FPGA is anders dan bij de voorheen behandelde soorten, ook de manier om de FPGA te configureren verschilt • FPGA hanteert SRAM-cellen als configuratiegeheugen • Dit heeft duidelijk nadelen , maar ook voordelen : • SRAM kan een oneindig aantal keren opnieuw geprogrammeerd worden (PROM: 0x, EPROM bv. 100x, E²PROM bv. 1000x) • FPGA kan (en moet) steeds in de schakeling geprogrammeerd worden (ISP = In System Programmable) • FPGA is reprogrammable ‘in the flight’ • bij productie kan de FPGA bv. aanvankelijk een bepaalde test-structuur bevatten • als de test in orde is, kan de eigenlijke schakeling gedownload worden naar de FPGA

5. Xilinx • Het was de firma Xilinx die in 1985 als eerste op de markt kwam met dergelijke SRAM-gebaseerde FPGA’s • Deze eerste reeks was de XC2000-familie • met slechts 2 componenten: • XC2064 met 64 blokjes (8x8 matrix) • XC2018 met 100 blokjes (10x10 matrix) • aanvankelijk gebruikte Xilinx voor deze componenten de naam LCA = Logic Cell Array • ook al zijn deze componenten inmiddels reeds enige tijd ‘discontinued’, toch bekijken we de inwendige opbouw ervan om een duidelijk begrip van de principiële werking van de FPGA’s te verkrijgen

6. Basic FPGA Architecture IOB = INPUT/OUTPUT BLOCK CLB = CONFIGURABLE LOGIC BLOCK PROGRAMMABLE INTERCONNECT

7. XC2000-reeks : CLB • CLB = Configurable Logic Block • hierin moet de logica gerealiseerd worden • elke CLB zelf moet volledig vrij configureerbaar zijn • kan zowel een combinatorische als een sequentiële schake-ling (of beide) bevatten

8. XC2000-reeks : CLB - comb • Voor het realiseren van de combinatorische logica gebruikt men niet meer de gekende structuur met AND- en OR-poorten, maar wel een LUT = Look Up Table • een LUT is eigenlijk een stukje RAM-geheugen, in dit geval met 4 adreslijnen (A,B,C,D) en een data-uitgang • hiermee kunnen willekeurige functies gerealiseerd worden (zie ook PLD-presentatie 1 : (P)ROM als functiegenerator) LOOK-UP TABLE

9. XC2000-reeks : LUT in CLB • Door speciale interne voorzieningen kan men met deze LUT verschillende functies realiseren : • ofwel twee keer dezelfde functie van 4 variabelen • ofwel twee onafhankelijke functies van 3 variabelen • ofwel een dynamische selectie tussen twee onafhankelijke functies van 3 variabelen

10. XC2000-reeks : CLB - seq • Voor het realiseren van het sequentiële gedeelte van de logica is er een flipflop voorzien in de CLB • deze kan geprogrammeerd worden als een niveau-opererende D-latch of als een flank-getriggerde D-flipflop • de klokingangkan hierbij komen van de speciale klokingang K, van de universele ingang C of van de uitgang G van de (zelf gerealiseerde) functie • de klok is naar keuze actief op stijgende of dalende flank • ook de aansturing van de asynchrone PRESET- en CLEAR-ingangen kan per CLB apart geconfigureerd worden

11. XC2000-reeks : IOB • Het IOB = Input/Output Block moet de verbinding verzorgen tussen de interne logica (CLB’s) en de pinnen van het IC • Bijna elke pin van het IC kan naar keuze gebruikt worden als ingang of als uitgang • Gebruik als uitgang: Het signaal dat van een CLB komt en naar een (uitgangs)pin moet gevoerd worden, passeert via een tri-state buffer • voor een vaste uitgang mag de Output Enable ingang van de tri-state buffer permanent ge-enabled zijn • voor een echte tri-state uitgang wordt de Output Enable ingang van de buffer aangestuurd door de TS-lijn, die afkomstig kan zijn van eender welke CLB • de uitgangsbuffer kan een stroom leveren van 4 mA, zodat we kunnen spreken van ‘high fan-out CMOS or TTL-compatible signal levels’

12. XC2000-reeks : IOB • Het IOB = Input/Output Block moet de verbinding verzorgen tussen de interne logica (CLB’s) en de pinnen van het IC • Bijna elke pin van het IC kan naar keuze gebruikt worden als ingang of als uitgang • Gebruik als ingang: Het signaal moet van de (ingangs)pin via een buffer doorgevoerd worden naar een ingang van een CLB • dit kan rechtstreeks gebeuren • ofwel kan het ingangssignaal onmiddellijk ingeklokt worden in een D-flipflop • hierbij gebruiken de I/O-blokken die langs dezelfde zijde van de chip liggen, ook dezelfde I/O-clock lijn • de drempelspanning (threshold voltage) van de ingangsbuffer kan naar keuze com-patibel genomen worden met TTL (1.4 V) of met CMOS (2.2 V)

13. XC2000-reeks : interconnecties • Uiteraard moet er een groot aantal verbindingen kunnen gelegd worden tussen de verschillende blokjes (CLB’s) enerzijds en tussen de CLB’s en de IOB’s anderzijds • Deze verbindingen kunnen we in drie niveaus rangschikken: • direct interconnect • alleen tussen naburige blokjes • korte, snelle verbindingen • beperkte mogelijkheden • general purpose interconnect • horizontale en verticale routing kanalen • verbindingen via ‘switch matrices’ • zeer veel mogelijkheden • vertraging afhankelijk van ‘routing’ • speciale ‘longlines’ • minimale ‘skew’ (tijdsverschuiving) • speciaal voor kloksignalen

14. XC2000 : direct interconnect • deze rechtstreekse verbindingen zijn de kortste en dus ook de snelste verbindingen • ze zijn echter alleen mogelijk tussen aangrenzende blokjes PIP = Programmable Interconnection Point • de verbindingsmogelijkheden zijn uiteraard zeer beperkt: • de X-uitgang van een CLB kan verbonden worden met • de C of D-ingang van het blokje net erboven • en/of met de A- of B-ingang van van het blokje net eronder • de Y-uitgang van een CLB kan alleen verbonden worden met de B-ingang van het blokje net rechts ervan • de ‘rand’-CLB’s kunnen rechtstreeks aansluiten op de IOB’s: • links als ingang • rechts als uitgang • boven en onder als ingang of als uitgang

15. XC2000 : general purpose interconnect • de universele verbindingen moeten zowat alle mogelijke aansluitpunten (over de hele chip verspreid) ook effectief kunnen verbinden • hiervoor zijn er horizontale en verticale routing kanalen voorzien, waarop de verschillende in- en uitgangen van elke CLB kunnen aangesloten worden • op elk ‘kruispunt’ van de kanalen staat er een ‘switch matrix’, die ervoor kan zorgen dat de juiste (horizontale en/of verticale) lijn-segmenten met elkaar verbonden worden • in nevenstaand voorbeeld gaan we de Y-uitgang van een CLB verbinden met (verschil-lende) ingangen van drie andere CLB’s

16. XC2000 : general purpose interconnect • Om deze universele verbindingen mogelijk te maken, moeten er dus zeer veel verbindings-mogelijkheden zijn van de CLB in/uitgangen naar de horizontale en verticale lijnen • Deze blokjes noemt men PIP’s : PIP = Programmable Interconnection Point • De implementatie-software zal voor elk gebruikt signaaltje moeten gaan bepalen op welk lijnsegment dit aangesloten moet worden en dus ook welke PIP ‘open’ en welke ‘dicht’ moet zijn

17. XC2000 : general purpose interconnect • Op de kruispunten tussen de horizontale en verticale verbindingslijnen zitten er “switch matrices” • In zo’n “switch matrix” zitten er weer enorm veel verbindingsmogelijkheden • In de XC2000 is de schakelmatrix eigenlijk opgesplitst in twee verschillende schakel-matrices • Voor één zo’n deel-schakelmatrix geven we even de verschillende aansluitmogelijkheden vanuit elk aansluitingspunt • Zoals u ziet, in totaal zijn dit weeral zeer veel mogelijkheden. En elke aparte mogelijke verbinding zal door één bit kunnen in- of uitgeschakeld worden.

18. XC2000 : general purpose interconnect • Deze ‘general purpose interconnect’ verbin-dingen maken het mogelijk om elk gewenst punt van de FPGA met een (of meer) ander(en) te connecteren • Hiervoor wordt dus gebruik gemaakt van de horizontale en verticale routing-kanalen, met op elk kruispunt een universele ‘switch matrix’. • Het nadeel van dit principe is wel dat de signa-len een grotere vertraging zullen krijgen omdat ze via talrijke pass-transistoren passeren. De propagation delay zal afhankelijk zijn van de gevolgde weg, de afgelegde afstand en het aantal gepasseerde pass-transistoren en PIPs. • Het ‘place and route’ algoritme van de implementatie-software zal een belangrijke invloed hebben op uiteindelijke kwaliteit van de verkregen schakeling!

19. Horizontale en verticale Long Lines XC2000 : long lines • Voor bv. kloksignalen zijn de universele ver-bindingen absoluut geen goede oplossing: er kan immers veel te veel ‘skew’ (tijds-verschuiving) optreden tussen de klokin-gangen van flipflops die ver van elkaar af liggen op de chip • Speciaal voor dit soort signalen zijn de long lines of global interconnects voorzien. • Het aantal aansluitmogelijkheden van de CLB’s op deze long lines is eerder beperkt. Bovendien passeren deze lijnen niet via de schakelmatrices. Op die manier zal de resulterende tijdsver-traging heel wat kleiner zijn dan bij de universele verbindingen.