Bevezetés az FPGA -ba | Szerkezet, alkatrészek, alkalmazások

Ebben a cikkben egy speciális témát fogunk látni, melynek neve Field Programmable Gate Arrays vagy egyszerűen csak FPGA. Meg fogjuk vizsgálni a programozható logikai eszközök és a különböző típusú terepi programozható eszközök (FPD) fogalmát, mint például a PLA, PAL, CPLD, FPGA. Ezenkívül látni fogjuk egy tipikus FPGA-eszköz architektúráját és annak előnyeit.Vázlatos bevezetésEgy rövid megjegyzés a PLD-ről (Programozható Logikai Eszköz)A PLD-k különböző típusai Programozható logikai tömb (PLA)Programozható tömblogikai (PAL)Általános tömblogikai (GAL)Complex Programozható logikai eszközök (CPLD) Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Mi az FPGA? Az FPGALogic BlockRouting összetevői FPGA programozási technológiákSRAMEEPROM / FlashAnti-FuseApplicationsBevezetés A Field Programmable Gate Arrays (FPGA-k) olyan digitális IC-k (Intergrated Circuittergrated) motorok személyre szabott digitális logikát az igényei szerint. A „Terepen programozható” kifejezés azt jelenti, hogy az IC digitális logikája nincs rögzítve a gyártás (vagy gyártás) során, hanem a végfelhasználó (a tervező) programozza. A programozhatóság biztosítása érdekében az FPGA konfigurálható elemekből áll. (vagy programozható) logikai blokkok és konfigurálható összeköttetések ezek között a blokkok között. Ez a konfigurálható logika és az FPGA-k összekapcsolása (útválasztása) általános célúvá és rugalmassá teszi őket, ugyanakkor lassúvá és energiaéhessé is teszi őket egy hasonló kaliberű, szabványos cellákkal rendelkező ASIC-hez képest. Több mint három évtized telt el azóta, hogy az FPGA-k piacra lépése, és ebben a hosszú időszakban komoly technológiai fejlődésen mentek keresztül, és folyamatosan növekvő népszerűségre tettek szert.Rövid megjegyzés a PLD-ről (Programozható Logikai Eszköz) Mielőtt belemerülnék a fő témába, szeretném röviden megvitatni a programozható logikai eszközök koncepciója. Szóval, mi az a PLD. Ez egy nagyszámú logikai kaput és flip-flopot tartalmazó IC, amelyet a felhasználó konfigurálhat a funkciók széles skálájának megvalósítására. A programozható logikai eszközök legegyszerűbbje egy sor ÉS és VAGY kapuból és ezek logikájából áll. a kapuk és azok összekapcsolása egy programozási folyamattal konfigurálható. A PLD-k különösen akkor hasznosak, ha egy mérnök testreszabott logikát akar megvalósítani, és az előre konfigurált integrált áramkörök korlátozzák. A PLD-k módot nyújtanak egyéni digitális áramkörök megvalósítására a hardverkonfiguráció segítségével, ahelyett, hogy szoftverrel valósítanák meg. A PLD-k különböző típusai A PLD-k alapvetően három típusba sorolhatók. Ezek a következők: Egyszerű programozható logikai eszközök (SPLD) Komplex programozható logikai eszközök (CPLD) Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Az egyszerű programozható logikai eszközök további felosztása: Programozható logikai tömb (PLA) Programozható tömb logika (PAL) Általános tömblogika ( GAL) Lássunk néhány alapvető részletet ezekről a PLD-kről. Programozható logikai tömb (PLA) A PLA egy ÉS kapusíkból áll programozható összeköttetésekkel és egy VAGY kapusíkból programozható összeköttetésekkel. A következő egy egyszerű négy bemenet – négy kimenet PLA ÉS & VAGY kapukkal. Bármely bemenet csatlakoztatható bármely ÉS kapuhoz a vízszintes és függőleges összekötő vonalak csatlakoztatásával. A különböző ÉS kapuk kimenetei ezután bármely programozható összeköttetésű VAGY kapura alkalmazhatók. Programozható tömblogika (PAL) A PAL hasonló a PLA-hoz, de a különbség az, hogy a PAL-ban csak az ÉS kapu síkja programozható, míg a VAGY a kapu síkja rögzítve van a gyártás során. Annak ellenére, hogy a PAL-ok kevésbé rugalmasak, mint a PLA-k, kiküszöbölik a programozható VAGY kapukhoz kapcsolódó időkéséseket. Az általános tömblogikai (GAL) architektúra szerint a GAL hasonló a PAL-hoz, de a különbség a programozható szerkezetben rejlik. A PAL-ok PROM-ot használnak, ami egyszer programozható, míg a GAL az EEPROM-ot, amely újraprogramozható.  Complex Programmable Logic Devices (CPLD) Az SPLD eszközöktől felfelé haladva CPLD-t kapunk. Az SPLD eszközökre fejlesztették ki, hogy nagyobb és összetettebb terveket hozzon létre. A CPLD számos logikai blokkból (vagy funkcionális blokkból) áll, amelyek belsőleg egy Pal-ból vagy PAL-ból és egy Macrocell-ből állnak. A makrocella minden további áramkörből és jelpolaritás-szabályozásból áll, hogy valódi jelet vagy annak komplementerét biztosítsa.  A Field Programmable Gate Array (FPGA) komplexitás szempontjából a CPLD sokkal összetettebb, mint az SPLD-k. Az FPGA azonban még összetettebb, mint a CPLD-k. Az FPGA architektúrája teljesen más, mivel programozható logikai cellákból, programozható összeköttetésekből és programozható IO-blokkokból áll. Mi az FPGA? A Field Programmable Gate Array-k vagy röviden az FPGA-k előre gyártott szilícium eszközök, amelyek újrakonfigurálható logikai mátrixból állnak. áramkör és programozható összeköttetések kétdimenziós tömbbe rendezve. A programozható logikai cellák konfigurálhatók bármilyen digitális funkció végrehajtására, és a programozható összekötők (vagy kapcsolók) biztosítják a kapcsolatokat a különböző logikai cellák között. Az FPGA használatával bármilyen egyedi tervezést megvalósíthat az egyes logikai blokkok logikájának vagy funkciójának megadásával és beállításával. minden programozható kapcsoló csatlakoztatása. Mivel az egyedi áramkörök tervezésének ez a folyamata a terepen történik, nem pedig egy gyárban, az eszközt „Terepen programozható” néven ismerik. A következő kép az FPGA tipikus belső felépítését mutatja, nagyon tág értelemben. Mint látható. , az FPGA magját konfigurálható logikai cellák és programozható összeköttetések alkotják. Ezeket számos programozható IO blokk veszi körül, amelyek a külvilággal való kommunikációra szolgálnak. Az FPGAL összetevői Most nézzük meg közelebbről az FPGA felépítését. Az FPGA általában három alapvető összetevőből áll. Ezek a következők: Programozható logikai cellák (vagy logikai blokkok) – az alapvető logikai funkciók megvalósításáért felelősek.Programozható útválasztás – a logikai blokkok összekapcsolásáért felelősek.IO blokkok – amelyek az útválasztáson keresztül kapcsolódnak a logikai blokkokhoz, és segítik a külső kapcsolatok létrehozását. Logikai blokk A Xilinx alapú FPGA-k logikai blokkját konfigurálható logikai blokknak vagy CLB-nek, míg az Altera alapú FPGA-k hasonló struktúráit Logic Array Blocks vagy LAB-nak nevezik. Használjuk a CLB kifejezést erre a beszélgetésre. A CLB az FPGA alapvető összetevője, amely mind a logikai, mind a tárolási funkciókat biztosítja. Az alapvető logikai blokk bármi lehet, például tranzisztor, NAND-kapu, multiplexerek, keresőtábla (LUT), PAL-szerű szerkezet vagy akár processzor. Mind a Xilinx, mind az Altera Look-up Table (LUT) alapú logikai blokkokat használ a logika és a tárolási funkciók megvalósításához. A logikai blokk egyetlen alapvető logikai elemből vagy egymással összekapcsolt alapvető logikai elemekből állhat, ahol Az alap logikai elem egy Look-up táblázat (amely viszont SRAM-ból és multiplexorokból áll) és egy flip-flop kombinációja. Az 'n' bemenettel rendelkező LUT 2n konfigurációs bitből áll, amelyeket SRAM cellák valósítanak meg. Ezen 2n SRAM bit felhasználásával a LUT konfigurálható bármilyen logikai funkció megvalósítására. ÚtválasztásHa a számítási funkcionalitást a logikai blokkok biztosítják, akkor a programozható útválasztó hálózat felelős ezeknek a logikai blokkoknak az összekapcsolásáért. A Routing Network összeköttetéseket biztosít az egyik logikai blokk és a másik között, valamint a logikai blokk és az IO blokk között az egyedi áramkörök teljes megvalósítása érdekében. Az útválasztó hálózat alapvetően programozható kapcsolókkal ellátott vezetékekből áll, amelyek bármelyikével konfigurálhatók. programozási technológiák. Alapvetően kétféle útválasztási architektúra létezik. Ezek a következők: Sziget stílusú útválasztás (más néven Mesh Routing) Hierarchikus útválasztás A sziget stílusú útválasztási architektúrában a logikai blokkok egy kétdimenziós tömbben vannak elrendezve, és programozható útválasztási hálózaton keresztül kapcsolódnak egymáshoz. Ezt a fajta útválasztást széles körben használják a kereskedelmi FPGA-kban. Sok logikai blokk a kapcsolatok helyi halmazára korlátozódik, és a hierarchikus útválasztási architektúra ezt a funkciót úgy használja ki, hogy a logikai blokkokat több csoportra vagy fürtre osztja. Ha a logikai blokkok ugyanabban a klaszterben találhatók, akkor a hierarchikus útválasztás a hierarchia alacsony szintjén köti össze őket. Ha a logikai blokkok különböző klaszterekben helyezkednek el, akkor a huzalozás a hierarchia magasabb szintjén történik. FPGA programozási technológiák Már beszéltünk az FPGA-k újraprogramozható architektúrájáról elég sokat, de most lássunk néhány leggyakrabban használt programozási technikát, amelyek felelősek az ilyen újrakonfigurálható architektúráért.Az alábbiakban az FPGA-kban használt három jól ismert programozási technológiát mutatjuk be.SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseOther A technológiák közé tartozik az EPROM és a Fusible Link, de ezeket használják CPLD-kben és más PLD-kben, de nem FPGA-kban, ezért maradjunk az FPGA-val kapcsolatos programozási technológiákra korlátozva. SRAM Tudjuk, hogy kétféle félvezető RAM létezik, az úgynevezett SRAM és DRAM. Az SRAM a Static RAM, míg a DRAM a Dynamic Ram rövidítése. Az SRAM-ot tranzisztorok felhasználásával tervezték, és a statikus kifejezés azt jelenti, hogy az alap SRAM memóriacellára betöltött érték változatlan marad mindaddig, amíg szándékosan nem változtatják meg, vagy amíg a tápellátást meg nem oldják. A következő képen egy tipikus 6 tranzisztoros SRAM cella látható 1 bit tárolására. .Ez ellentétben áll a DRAM-mal, amely egy tranzisztor és egy kondenzátor kombinációjából áll. A dinamikus kifejezés arra utal, hogy az alap DRAM memóriacellába betöltött érték addig érvényes, amíg a kondenzátorban nincs töltés. Mivel a kondenzátor idővel veszít töltéséből, a memóriacellát rendszeresen újra kell tölteni a töltés fenntartásához. Ezt frissítőnek is nevezik. Sok FPGA-gyártó telepíti a statikus memóriacellákat SRAM alapú FPGA-kban a programozáshoz. Az SRAM alapú FPGA-k mind a logikai cellák, mind az összeköttetések programozására szolgálnak, és az újraprogramozhatóságuk és az alacsony dinamikus energiafogyasztásáról, nagy sebességéről és szorosabb integrációjáról ismert CMOS technológia használatának köszönhetően meglehetősen uralkodóvá váltak.EEPROM / A Flash Az SRAM alapú programozási technológia közeli alternatívája az EEPROM vagy Flash programozási technológiákon alapul. A flash-alapú programozás fő előnye, hogy nem illékony. Annak ellenére, hogy a flash támogatja az újraprogramozhatóságot, az SRAM technológiához képest nagyon kicsi az alkalmak száma. Anti-FuseA biztosíték elleni programozási technológia az egyszeri programozható eszközök előállításának régi technikája. Ezeket a biztosítéknak nevezett link segítségével valósítják meg, amely programozatlan állapotában nagyon nagy ellenállással rendelkezik, és nyitott áramkörnek tekinthető. Programozáskor nagy feszültséget és áramot táplálnak a bemenetre. Ennek eredményeként az olvadóbiztosító, amely kezdetben amorf szilícium (alapvetően egy nagyon nagy ellenállású szigetelő), amely két fémpályát köt össze, azáltal kel életre, hogy vezető poliszilíciummá alakul. A másik két technológiával összehasonlítva az olvadóbiztosító az egyik foglalja el a legkevesebb helyet, de csak egyszeri programozható opcióként kapható.  Alkalmazások Az FPGA-k bevezetésének korai éveiben jellemzően kis- és közepesen összetett állapotgépek és adatfeldolgozási feladatok megvalósítására szolgáltak kis adatokon. Mivel összetettségük és képességük az évek során nőtt, számos autóipari, fogyasztói és ipari alkalmazásba beépültek. Kezdetben az FPGA-k egyszerű lehetőséget biztosítottak az ASIC-tervek prototípusára, mivel könnyen átkonfigurálhatók a hardver többféle változatának tesztelésére és kipróbálására. a fő terv véglegesítése. De mivel képesek végtermékként működni viszonylag rövid forgalomba hozatali idővel és kis bevezetési költségekkel, néhány ASIC közvetlen versenytársaként kerültek bevezetésre. A modern FPGA-k szorzókkal, összetett útválasztással és chipen belüli RAM-mal megkönnyíthetik a DSP-műveleteket. amelyek korábban a dedikált digitális jelprocesszorokon lehetségesek voltak.Az FPGA-k költségeinek csökkenésével komoly versenyzőkké válnak a beágyazott vezérlőalkalmazások terén. Az FPGA bármilyen mikrokontroller lágymagos processzorának megvalósítására használható egyéni IO-képességekkel együtt.Kapcsolódó bejegyzések: Bevezetés az ASIC technológiába | Különböző típusok,… Mi az ipari automatizálás?

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista