Uvod u FPGA | Struktura, komponente, aplikacije

U ovom članku vidjet ćemo posebnu temu pod nazivom polja programabilnih vrata ili jednostavno FPGA. Istražit ćemo koncept programabilnih logičkih uređaja i različite vrste programibilnih uređaja (FPD) kao što su PLA, PAL, CPLD, FPGA. Također, vidjet ćemo arhitekturu tipičnog FPGA uređaja zajedno s njegovim prednostima. Pregled Uvod Kratka napomena o PLD-u (Programabilni logički uređaj) Različite vrste PLD-ova Programabilna logička matrica (PLA) Logika programabilnog niza (PAL) Generička logika polja (GAL) Kompleks Programabilni logički uređaji (CPLD)Field Programmable Gate Arrays (FPGA)Što je FPGA?Komponente FPGALogic BlockRoutingFPGA Programming TechnologiesSRAMEEPROM / FlashAnti-FuseApplicationsUvodField Programmable Gate Arrays (FPGA)Sto je FPGA? digitalnu logiku prilagođenu njegovim/njezinim zahtjevima. Izraz "programibilno na terenu" podrazumijeva da digitalna logika IC-a nije fiksna tijekom njegove proizvodnje (ili izrade), već da je programira krajnji korisnik (dizajner). Kako bi se osigurala ova programibilnost, FPGA se sastoji od konfigurabilnih (ili Programabilni) logički blokovi i konfigurabilne međukonekcije između ovih blokova. Ova konfigurabilna logika i međusobne veze (usmjeravanje) FPGA-a čine ih opće namjene i fleksibilnima, ali u isto vrijeme ih čini sporim i gladnim energije u usporedbi s ASIC-om sličnog kalibra sa standardnim ćelijama. Prošlo je više od tri desetljeća od uvođenjem FPGA-a na tržište iu tom dugom razdoblju, oni su doživjeli ozbiljan tehnološki napredak i stekli kontinuirano rastuću popularnost. Kratka napomena o PLD-u (programabilnom logičkom uređaju) Prije nego što pređem na glavnu temu, želim ukratko raspraviti koncept programabilnih logičkih uređaja. Dakle, što je PLD. To je IC koji sadrži veliki broj logičkih vrata i flip-flopova koje korisnik može konfigurirati za implementaciju širokog spektra funkcija. Najjednostavniji programirljivi logički uređaj sastoji se od niza AND & OR vrata i logike ovih vrata i njihove međusobne veze mogu se konfigurirati procesom programiranja. PLD-ovi su osobito korisni kada inženjer želi implementirati prilagođenu logiku i ograničen je unaprijed konfiguriranim integriranim krugovima. PLD-ovi pružaju način za implementaciju prilagođenog digitalnog kruga pomoću snage hardverske konfiguracije, a ne implementacije pomoću softvera. Različite vrste PLD-ova U osnovi, PLD-ovi se mogu kategorizirati u tri tipa. To su: Jednostavni programibilni logički uređaji (SPLD) Složeni programibilni logički uređaji (CPLD) Programabilni nizovi vrata (FPGA) Jednostavni programibilni logički uređaji se dalje dijele na: Programabilni logički niz (PLA) Programabilni logički niz (PAL) Generička logika polja ( GAL) Pogledajmo sada neke osnovne pojedinosti o svim tim PLD-ovima. Programabilni logički niz (PLA) PLA se sastoji od ravnine AND ulaza s programibilnim međukonekcijama i ravnine ILI ulaza s programibilnim međuvezama. Sljedeći je jednostavan četiri ulaza – četiri izlaza PLA s AND & OR vratima. Bilo koji ulaz može se spojiti na bilo koja AND vrata spajanjem horizontalnih i vertikalnih vodova međusobnog povezivanja. Izlazi iz različitih AND vrata se tada mogu primijeniti na bilo koja vrata ILI s programabilnim interkonekcijama. Logika programabilnog niza (PAL) PAL je sličan PLA, ali razlika je u tome što je u PAL-u samo ravnina vrata AND programibilna dok je ILI ravnina vrata je fiksirana tijekom izrade. Iako su PAL-ovi manje fleksibilni od PLA-a, oni eliminiraju vremenska kašnjenja povezana s programabilnim ILI Gates-ima. Generička logika polja (GAL) Što se tiče arhitekture, GAL je sličan PAL-u, ali razlika leži u strukturi koja se može programirati. PAL-ovi koriste PROM, koji se može jednokratno programirati, dok GAL koristi EEPROM, koji se može reprogramirati.  Kompleksni programirljivi logički uređaji (CPLD) Krećući se od SPLD uređaja, dobivamo CPLD. Razvijen je na vrhu SPLD uređaja za stvaranje kašastih većih i složenih dizajna. CPLD se sastoji od brojnih logičkih blokova (ili funkcionalnih blokova), koji se interno sastoje od Pal ili PAL-a zajedno s makroćelijom. Makroćelija se sastoji od bilo kojeg dodatnog sklopa i kontrole polariteta signala kako bi se osigurao pravi signal ili njegov dodatak.  Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Što se tiče složenosti, CPLD su mnogo složeniji od SPLD-ova. Ali FPGA su još složeniji od CPLD-a. Arhitektura FPGA je potpuno drugačija jer se sastoji od programabilnih logičkih ćelija, programabilnih međuspojeva i programabilnih IO blokova. Što je FPGA? Programabilni nizovi vrata ili FPGA ukratko su gotovi silikonski uređaji koji se sastoje od matrice rekonfigurabilne logike sklopova i programabilnih međukonekcija raspoređenih u dvodimenzionalni niz. Programabilne logičke ćelije mogu se konfigurirati za obavljanje bilo koje digitalne funkcije, a programabilne međusobne veze (ili prekidači) pružaju veze između različitih logičkih ćelija. Koristeći FPGA, možete implementirati bilo koji prilagođeni dizajn navodeći logiku ili funkciju svakog logičkog bloka i postavke povezivanje svakog programabilnog prekidača. Budući da se ovaj proces dizajniranja prilagođenog kruga obavlja na terenu, a ne u fabrici, uređaj je poznat kao "Field Programmable". Sljedeća slika prikazuje tipičnu unutarnju strukturu FPGA u vrlo širokom smislu. Kao što možete vidjeti , jezgra FPGA se sastoji od konfigurabilnih logičkih ćelija i programabilnih međuveza. Oni su okruženi brojnim programibilnim IO blokovima koji se koriste za razgovor s vanjskim svijetom. Komponente FPGAL-a Dopustite nam da sada pobliže pogledamo strukturu FPGA. Tipično, FPGA se sastoji od tri osnovne komponente. To su: Programabilne logičke ćelije (ili logički blokovi) – odgovorne za implementaciju osnovnih logičkih funkcija. Programabilno usmjeravanje – odgovorne za povezivanje logičkih blokova. IO blokovi – koji su povezani s logičkim blokovima putem usmjeravanja i pomažu u stvaranju vanjskih veza. Logički blok Logički blok u FPGA baziranim na Xilinxu nazivaju se konfigurabilni logički blokovi ili CLB dok se slične strukture u FPGA baziranim na Altera nazivaju blokovi logičkog niza ili LAB. Za ovu raspravu upotrijebimo izraz CLB. CLB je osnovna komponenta FPGA, koja pruža i logiku i funkcionalnost pohrane. Osnovni logički blok može biti bilo što poput tranzistora, NAND vrata, multipleksora, Look-up Table (LUT), strukture poput PAL-a ili čak procesora. I Xilinx i Altera koriste logičke blokove bazirane na Look-up Table (LUT) za implementaciju logike kao i funkcionalnosti pohrane. Logički blok može se sastojati od jednog osnovnog logičkog elementa ili skupa međusobno povezanih osnovnih logičkih elemenata, gdje Osnovni logički element kombinacija je Look-up tablice (koja se pak sastoji od SRAM-a i multipleksora) i flip-flopa. LUT s 'n' ulazima sastoji se od 2n konfiguracijskih bitova, koje implementiraju SRAM ćelije. Koristeći ove 2n SRAM bita, LUT se može konfigurirati za implementaciju bilo koje logičke funkcije. Usmjeravanje Ako računsku funkcionalnost osiguravaju logički blokovi, tada je programabilna mreža usmjeravanja odgovorna za međusobno povezivanje ovih logičkih blokova. Mreža za usmjeravanje pruža međusobne veze između jednog logičkog bloka i drugog, kao i između logičkog bloka i IO bloka kako bi se u potpunosti implementirao prilagođeni sklop. U osnovi, mreža usmjeravanja se sastoji od povezivanja žica s programabilnim prekidačima, koji se mogu konfigurirati pomoću bilo kojeg od tehnologije programiranja. U osnovi postoje dvije vrste arhitekture usmjeravanja. To su: Usmjeravanje u otočnom stilu (također poznato kao Mesh Routing) Hijerarhijsko usmjeravanje U arhitekturi usmjeravanja u otočnom stilu, logički blokovi su raspoređeni u dvodimenzionalni niz i međusobno su povezani pomoću programabilne mreže za usmjeravanje. Ova vrsta usmjeravanja se široko koristi u komercijalnim FPGA. Mnogi logički blokovi su ograničeni na lokalni skup veza i hijerarhijska arhitektura usmjeravanja koristi ovu značajku dijeleći logičke blokove u nekoliko grupa ili klastera. Ako se logički blokovi nalaze u istom klasteru, tada ih hijerarhijsko usmjeravanje povezuje na niskoj razini hijerarhije. Ako se logički blokovi nalaze u različitim klasterima, onda se ožičenje obavlja na višoj razini hijerarhije. FPGA programske tehnologije Razgovarali smo o reprogramabilnoj arhitekturi FPGA-a poprilično, ali sada pogledajmo neke od najčešće korištenih tehnika programiranja koje su odgovorne za takvu rekonfigurabilnu arhitekturu. Sljedeće su tri dobro poznate tehnologije programiranja koje se koriste u FPGA-ima. SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseOther tehnologije uključuju EPROM i Fusible Link, ali se koriste u CPLD-ovima i drugim PLD-ovima, ali ne i u FPGA-ima, stoga neka rasprava bude ograničena na tehnologije vezane za FPGA programiranje. SRAM Znamo da postoje dvije vrste poluvodičkog RAM-a koji se nazivaju SRAM i DRAM. SRAM je skraćenica za Static RAM dok je DRAM skraćenica za Dynamic Ram. SRAM je dizajniran pomoću tranzistora, a izraz statički znači da će vrijednost učitana u osnovnu SRAM memorijsku ćeliju ostati ista sve dok se namjerno ne promijeni ili kada se napajanje isključi. Tipična SRAM ćelija sa 6 tranzistora za pohranu 1 bita prikazana je na sljedećoj slici .Ovo je u suprotnosti s DRAM-om koji se sastoji od kombinacije tranzistora i kondenzatora. Pojam dinamički odnosi se na činjenicu da je vrijednost učitana u osnovnu DRAM memorijsku ćeliju valjana sve dok se kondenzator ne napuni. Kako kondenzator s vremenom gubi napunjenost, memorijska se ćelija mora povremeno puniti kako bi se održala napunjenost. Ovo je također poznato kao osvježavanje. Mnogi dobavljači FPGA implementiraju statičke memorijske ćelije u FPGA bazirane na SRAM-u za programiranje. FPGA bazirani na SRAM-u koriste se za programiranje i logičkih ćelija i interkonekcija i postali su prilično dominantni zbog svoje reprogramibilnosti i upotrebe CMOS tehnologije, koja je poznata po niskoj dinamičkoj potrošnji energije, velikoj brzini i čvršćoj integraciji.EEPROM / Flash Bliska alternativa tehnologiji programiranja baziranoj na SRAM-u temelji se na EEPROM ili Flash tehnologijama programiranja. Glavna prednost programiranja temeljenog na flashu je njegova nepromjenjiva priroda. Iako flash podržava ponovno programiranje, broj puta koji se to može učiniti vrlo je mali u usporedbi sa SRAM tehnologijom. Implementiraju se pomoću veze zvane antiosigurač, koja u svom neprogramiranom stanju ima vrlo visok otpor i može se smatrati otvorenim krugom. Prilikom programiranja, na ulaz se dovodi visoki napon i struja. Kao rezultat toga, antiosigurač, koji je u početku u obliku amorfnog silicija (u osnovi izolator s vrlo visokim otporom) koji povezuje dvije metalne staze, oživljava pretvaranjem u vodljivi polisilicij. U usporedbi s druge dvije tehnologije, antiosigurač jedan zauzima najmanju količinu prostora, ali dolazi samo kao jednokratno programabilna opcija.  Primjene U ranim godinama uvođenja FPGA-a, oni su se obično koristili za implementaciju malih i srednje složenih državnih strojeva i zadataka obrade podataka na malim podacima. Kako su se njihova složenost i sposobnost povećavale tijekom godina, ugrađeni su u nekoliko automobilskih, potrošačkih i industrijskih aplikacija. U početku, FPGA su pružali jednostavnu opciju za prototip ASIC dizajna jer se mogu lako rekonfigurirati za testiranje i isprobavanje nekoliko varijacija hardvera prije finaliziranje glavnog dizajna. Ali njihova sposobnost da funkcioniraju kao krajnji proizvod s relativno kratkim vremenom do puštanja na tržište i malim troškovima implementacije, implementirani su kao izravni konkurenti nekim ASIC-ovima. Moderni FPGA s multiplikatorima, složenim usmjeravanjem i RAM-om na čipu mogu olakšati DSP operacije koji su prije bili mogući na namjenskim procesorima digitalnih signala. S obzirom na to da se cijena FPGA smanjuje, oni postaju ozbiljni kandidati za ugrađene upravljačke aplikacije. FPGA se može koristiti za implementaciju soft-core procesora bilo kojeg mikrokontrolera zajedno s prilagođenim IO mogućnostima. Povezani postovi: Uvod u ASIC tehnologiju | Različite vrste,...Što je industrijska automatizacija?

Ostavite poruku 

Lista Poruka