Úvod do FPGA | Štruktúra, komponenty, aplikácie

V tomto článku uvidíme špeciálnu tému s názvom Field Programmable Gate Arrays alebo jednoducho FPGA. Preskúmame koncept programovateľných logických zariadení a rôzne typy zariadení programovateľných v teréne (FPD), ako sú PLA, PAL, CPLD, FPGA. Tiež uvidíme architektúru typického zariadenia FPGA spolu s jeho výhodami. Prehľad Úvod Stručná poznámka o PLD (Programmable Logic Device) Rôzne typy PLD Programovateľné logické pole (PLA) Programovateľné logické pole (PAL) Komplex generických logických polí (GAL) Programmable Logic Devices (CPLD) Programmable Gate Arrays (FPGA) Čo je to FPGA? Komponenty FPGALogic BlockRouting Programovacie technológie FPGASRAMEEPROM / FlashAnti-FuseApplicationsÚvod Pole Programmable Gate Arrays (FPGA) sú digitálne integrované obvody (Integrated to Circuit Designs) prispôsobenú digitálnu logiku podľa jeho požiadaviek. Pojem „programovateľný v teréne“ znamená, že digitálna logika integrovaného obvodu nie je pevná počas jeho výroby (alebo výroby), ale je naprogramovaná koncovým používateľom (konštruktérom). Na zabezpečenie tejto programovateľnosti sa FPGA skladá z konfigurovateľných (alebo programovateľné) logické bloky a konfigurovateľné prepojenia medzi týmito blokmi. Táto konfigurovateľná logika a prepojenia (smerovanie) FPGA ich robí univerzálnymi a flexibilnými, no zároveň ich robí pomalými a energeticky náročnými v porovnaní s ASIC podobného kalibru so štandardnými bunkami. uvedením FPGA na trh a v tomto dlhom období prešli výrazným technologickým pokrokom a získali si neustále rastúcu popularitu. Krátka poznámka o PLD (Programmable Logic Device)Skôr než sa ponorím do hlavnej témy, chcem stručne prediskutovať koncepcia programovateľných logických zariadení. Takže, čo je PLD. Je to integrovaný obvod, ktorý obsahuje veľké množstvo logických brán a klopných obvodov, ktoré môže používateľ nakonfigurovať na implementáciu širokej škály funkcií. Najjednoduchšie z programovateľných logických zariadení pozostáva z radu brán AND & OR a ich logiky brány a ich prepojenia je možné konfigurovať pomocou programovacieho procesu. PLD sú obzvlášť užitočné, keď chce inžinier implementovať prispôsobenú logiku a je obmedzený predkonfigurovanými integrovanými obvodmi. PLD poskytujú spôsob, ako implementovať vlastný digitálny obvod pomocou hardvérovej konfigurácie namiesto jeho implementácie pomocou softvéru. Rôzne typy PLD V zásade možno PLD rozdeliť do troch typov. Sú to:Jednoduché programovateľné logické zariadenia (SPLD)Komplexné programovateľné logické zariadenia (CPLD)Pole programovateľné hradlové polia (FPGA)Jednoduché programovateľné logické zariadenia sa ďalej delia na:Programovateľné logické pole (PLA)Programovateľné logické pole (PAL)Všeobecná logika poľa ( GAL) Pozrime sa teraz na niektoré základné podrobnosti o všetkých týchto PLD. Programovateľné logické pole (PLA) PLA pozostáva z hradlovej roviny AND s programovateľnými prepojeniami a hradlovej roviny OR s programovateľnými prepojeniami. Nasleduje jednoduchý PLA so štyrmi vstupmi – štyrmi výstupmi s hradlami AND & OR. Akýkoľvek vstup môže byť pripojený k ľubovoľnému hradlu AND spojením horizontálnych a vertikálnych prepojovacích vedení. Výstupy z rôznych brán AND možno potom použiť na ktorékoľvek z brán OR s programovateľným prepojením. Programovateľná logika poľa (PAL) PAL je podobný PLA, ale rozdiel je v tom, že v PAL je programovateľná iba rovina hradla AND, zatiaľ čo Rovina brány OR je fixovaná počas výroby. Aj keď sú PAL menej flexibilné ako PLA, eliminujú časové oneskorenia spojené s programovateľnými bránami OR. Architektúra GAL (Generic Array Logic) je podobná PAL, ale rozdiel spočíva v programovateľnej štruktúre. PAL používajú PROM, ktorý je jednorazovo programovateľný, zatiaľ čo GAL používa EEPROM, ktorý je možné preprogramovať.  Komplexné programovateľné logické zariadenia (CPLD) Po prechode nahor od zariadení SPLD dostaneme CPLD. Je vyvinutý nad zariadeniami SPLD na vytváranie väčších a zložitých návrhov. CPLD pozostáva z číselných logických blokov (alebo funkčných blokov), ktoré interne pozostávajú buď z PAL alebo PAL spolu s makrobunkou. Makrobunka pozostáva z akéhokoľvek dodatočného obvodu a kontroly polarity signálu na zabezpečenie skutočného signálu alebo jeho doplnku.  Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Z hľadiska zložitosti sú CPLD oveľa zložitejšie ako SPLD. Ale FPGA sú ešte zložitejšie ako CPLD. Architektúra FPGA je úplne odlišná, pretože pozostáva z programovateľných logických buniek, programovateľných prepojení a programovateľných IO blokov. Čo je to FPGA? Field Programmable Gate Arrays alebo FPGA v skratke sú prefabrikované kremíkové zariadenia, ktoré pozostávajú z matice rekonfigurovateľnej logiky obvody a programovateľné prepojenia usporiadané v dvojrozmernom poli. Programovateľné logické bunky môžu byť nakonfigurované tak, aby vykonávali akúkoľvek digitálnu funkciu a programovateľné prepojenia (alebo prepínače) poskytujú spojenia medzi rôznymi logickými bunkami. Pomocou FPGA môžete implementovať akýkoľvek vlastný dizajn špecifikovaním logiky alebo funkcie každého logického bloku a nastavením pripojenie každého programovateľného spínača. Keďže tento proces navrhovania vlastného obvodu sa vykonáva v teréne a nie v továrni, zariadenie je známe ako „Field Programmable“. Nasledujúci obrázok ukazuje typickú vnútornú štruktúru FPGA vo veľmi širokom zmysle. Ako môžete vidieť , jadro FPGA tvoria konfigurovateľné logické bunky a programovateľné prepojenia. Tie sú obklopené množstvom programovateľných IO blokov, ktoré sa používajú na komunikáciu s vonkajším svetom. Komponenty FPGA Pozrime sa teraz bližšie na štruktúru FPGA. FPGA sa zvyčajne skladá z troch základných komponentov. Sú to: Programovateľné logické bunky (alebo logické bloky) – zodpovedné za implementáciu základných logických funkcií. Programovateľné smerovanie – zodpovedné za pripojenie logických blokov. IO bloky – ktoré sú pripojené k logickým blokom cez smerovanie a pomáhajú vytvárať externé spojenia. Logický blokLogický blok v FPGA založených na Xilinx sa nazýva konfigurovateľné logické bloky alebo CLB, zatiaľ čo podobné štruktúry v FPGA založených na Altera sa nazývajú bloky logického poľa alebo LAB. Použime pre túto diskusiu výraz CLB. CLB je základná súčasť FPGA, ktorá poskytuje logické aj úložné funkcie. Základným logickým blokom môže byť čokoľvek ako tranzistor, brána NAND, multiplexory, vyhľadávacia tabuľka (LUT), štruktúra podobná PAL alebo dokonca procesor. Xilinx aj Altera používajú logické bloky založené na vyhľadávacej tabuľke (LUT) na implementáciu logiky, ako aj úložných funkcií. Logický blok môže pozostávať z jedného základného logického prvku alebo súboru vzájomne prepojených základných logických prvkov, pričom Základný logický prvok je kombináciou vyhľadávacej tabuľky (ktorá je zase tvorená SRAM a multiplexormi) a Flip-flop. A LUT so vstupmi 'n' pozostáva z 2n konfiguračných bitov, ktoré sú implementované bunkami SRAM. Pomocou týchto 2n bitov SRAM možno LUT nakonfigurovať tak, aby implementovala akúkoľvek logickú funkciu. Smerovanie Ak výpočtovú funkčnosť zabezpečujú logické bloky, potom je za prepojenie týchto logických blokov zodpovedná programovateľná smerovacia sieť. Smerovacia sieť poskytuje prepojenie medzi jedným logickým blokom a druhým, ako aj medzi logickým blokom a IO blokom, aby sa úplne implementoval vlastný obvod. Smerovacia sieť v podstate pozostáva z prepojovacích vodičov s programovateľnými prepínačmi, ktoré možno konfigurovať pomocou ktoréhokoľvek z programovacie technológie. V zásade existujú dva typy architektúr smerovania. Sú to: Smerovanie ostrovným štýlom (tiež známe ako Mesh Routing) Hierarchické smerovanieV architektúre smerovania ostrovného štýlu sú logické bloky usporiadané do dvojrozmerného poľa a sú vzájomne prepojené pomocou programovateľnej smerovacej siete. Tento typ smerovania je široko používaný v komerčných FPGA. Veľa logických blokov je obmedzených na lokálny súbor spojení a hierarchická architektúra smerovania využíva túto vlastnosť rozdelením logických blokov do niekoľkých skupín alebo zhlukov. Ak sa logické bloky nachádzajú v rovnakom klastri, potom ich hierarchické smerovanie spája na nízkej úrovni hierarchie. Ak sa logické bloky nachádzajú v rôznych klastroch, zapojenie sa vykonáva na vyššej úrovni hierarchie. Technológie programovania FPGA Hovorili sme o preprogramovateľnej architektúre FPGA dosť málo, ale teraz sa pozrime na niektoré z najbežnejšie používaných programovacích techník, ktoré sú zodpovedné za takúto rekonfigurovateľnú architektúru. Nasledujú tri známe programovacie technológie používané v FPGA.SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseOther technológie zahŕňajú EPROM a Fusible Link, ale používajú sa v CPLD a iných PLD, ale nie v FPGA. Preto nechajme diskusiu obmedzenú na programovacie technológie súvisiace s FPGA. SRAM Vieme, že existujú dva typy polovodičových RAM, ktoré sa nazývajú SRAM a DRAM. SRAM je skratka pre Static RAM, zatiaľ čo DRAM je skratka pre Dynamic Ram. SRAM je navrhnutý s použitím tranzistorov a výraz statický znamená, že hodnota načítaná na základnej pamäťovej bunke SRAM zostane rovnaká, kým sa úmyselne nezmení alebo kým sa neodpojí napájanie. Typický 6 tranzistorový článok SRAM na uloženie 1 bitu je znázornený na nasledujúcom obrázku .To je rozdiel oproti DRAM, ktorá pozostáva z kombinácie tranzistora a kondenzátora. Pojem Dynamic sa vzťahuje na skutočnosť, že hodnota načítaná v základnej pamäťovej bunke DRAM je platná, kým sa kondenzátor nenabije. Keďže kondenzátor časom stráca svoj náboj, pamäťová bunka sa musí pravidelne dobíjať, aby sa nabitie udržalo. Toto je tiež známe ako osviežujúce. Mnoho predajcov FPGA implementuje statické pamäťové bunky v FPGA založených na SRAM na programovanie. FPGA založené na SRAM sa používajú na programovanie logických buniek aj prepojení a stali sa celkom prevládajúcimi vďaka ich preprogramovateľnosti a použitiu technológie CMOS, ktorá je známa svojou nízkou dynamickou spotrebou energie, vysokou rýchlosťou a užšou integráciou.EEPROM / FlashBlízka alternatíva k programovacej technológii založenej na SRAM je založená na programovacích technológiách EEPROM alebo Flash. Hlavnou výhodou programovania na báze flash je jeho stálosť. Aj keď flash podporuje preprogramovateľnosť, počet opakovaní, ktoré je možné vykonať, je veľmi malý v porovnaní s technológiou SRAM. Anti-FuseTechnológia programovania proti poistkám je stará technika výroby jednorazovo programovateľných zariadení. Sú realizované pomocou spojky nazývanej protipoistka, ktorá má vo svojom nenaprogramovanom stave veľmi vysoký odpor a možno ju považovať za otvorený obvod. Pri programovaní sa na vstup privádza vysoké napätie a prúd. Výsledkom je, že poistka, ktorá je pôvodne vo forme amorfného kremíka (v podstate izolant s veľmi vysokou odolnosťou) spájajúceho dve kovové dráhy, ožíva premenou na vodivý polysilikón. V porovnaní s ďalšími dvoma technológiami je poistka jeden zaberá najmenej miesta, ale prichádza len ako jednorazová programovateľná možnosť.  AplikácieV prvých rokoch zavedenia FPGA sa zvyčajne používali na implementáciu malých až stredne zložitých stavových strojov a úloh spracovania údajov na malých údajoch. Keďže sa ich zložitosť a možnosti v priebehu rokov zvyšovali, boli začlenené do niekoľkých automobilových, spotrebiteľských a priemyselných aplikácií. FPGA spočiatku poskytovali jednoduchú možnosť prototypovania návrhov ASIC, pretože sa dajú ľahko prekonfigurovať na testovanie a skúšanie niekoľkých variácií hardvéru. dokončenie hlavného dizajnu. Ale ich schopnosť fungovať ako konečný produkt s relatívne krátkym časom uvedenia na trh a malými nákladmi na implementáciu boli implementované ako priami konkurenti niektorých ASIC. Moderné FPGA s multiplikátormi, zložitým smerovaním a pamäťou RAM na čipe môžu uľahčiť operácie DSP ktoré boli predtým možné na špecializovaných digitálnych signálových procesoroch. S klesajúcimi nákladmi na FPGA sa stávajú vážnymi konkurentmi vstavaných riadiacich aplikácií. FPGA možno použiť na implementáciu procesora s mäkkým jadrom akéhokoľvek mikrokontroléra spolu s vlastnými schopnosťami IO.Súvisiace príspevky:Úvod do technológie ASIC | Rôzne typy,...Čo je priemyselná automatizácia?

Zanechajte správu 

zoznam správ