Введение в FPGA | Структура, компоненты, приложения

В этой статье мы рассмотрим специальную тему под названием Программируемые вентильные массивы или просто FPGA. Мы рассмотрим концепцию программируемых логических устройств и различных типов программируемых устройств (FPD), таких как PLA, PAL, CPLD, FPGA. Кроме того, мы увидим архитектуру типичного устройства FPGA вместе с его преимуществами. Краткое описание PLD (Programmable Logic Device) Различные типы PLD Программируемый логический массив (PLA) Программируемый логический массив (PAL) Комплекс Generic Array Logic (GAL) Программируемые логические устройства (CPLD) Программируемые вентильные матрицы (FPGA) Что такое FPGA? Компоненты FPGA Логическая маршрутизация FPGA Технологии программирования SRAMEEPROM / Flash Anti-FuseApplications Введение Полевые программируемые вентильные матрицы (FPGA) представляют собой цифровые ИС (интегральные схемы), которые позволяют программировать интегральные схемы. индивидуализированная цифровая логика в соответствии с его / ее требованиями. Термин «программируемая на месте» подразумевает, что цифровая логика ИС не фиксируется во время ее изготовления (или изготовления), а скорее программируется конечным пользователем (разработчиком). Для обеспечения такой программируемости ПЛИС состоит из конфигурируемых элементов. (или программируемые) логические блоки и конфигурируемые межсоединения между этими блоками. Эта настраиваемая логика и взаимосвязи (маршрутизация) FPGA делают их универсальными и гибкими, но в то же время они делают их медленными и энергоемкими по сравнению с ASIC аналогичного калибра со стандартными ячейками. с появлением на рынке ПЛИС, и за этот долгий период они претерпели серьезный технологический прогресс и приобрели постоянно растущую популярность. концепция программируемых логических устройств. Итак, что такое ПЛИС. Это ИС, содержащая большое количество логических элементов и триггеров, которые могут быть настроены пользователем для реализации широкого спектра функций. Простейшее из программируемых логических устройств состоит из массива элементов И и ИЛИ и их логики. вентили и их соединения могут быть сконфигурированы в процессе программирования. ПЛИС особенно полезны, когда инженер хочет реализовать индивидуальную логику и ограничен предварительно сконфигурированными интегральными схемами. PLD предоставляют способ реализовать индивидуальную цифровую схему с помощью аппаратной конфигурации, а не реализовывать ее с помощью программного обеспечения. Различные типы PLD В принципе, PLD можно разделить на три типа. Это: Простые программируемые логические устройства (SPLD) Сложные программируемые логические устройства (CPLD) Программируемые логические массивы (FPGA) Простые программируемые логические устройства далее делятся на: Программируемый логический массив (PLA) Программируемую логику массива (PAL) Общая логика массива ( GAL) Давайте теперь посмотрим некоторые основные детали обо всех этих PLD. Программируемый логический массив (PLA) PLA состоит из плоскости логического элемента И с программируемыми межсоединениями и плоскости логического элемента ИЛИ с программируемыми межсоединениями. Ниже приведен простой PLA с четырьмя входами и четырьмя выходами с логическими элементами И и ИЛИ. Любой вход может быть подключен к любому элементу И, соединив горизонтальные и вертикальные соединительные линии. Затем выходные сигналы от различных вентилей И могут быть применены к любому из вентилей ИЛИ с программируемыми межсоединениями. Логика с программируемым массивом (PAL). Плоскость затвора OR фиксируется во время изготовления. Несмотря на то, что PAL менее гибки, чем PLA, они устраняют временные задержки, связанные с программируемыми логическими шлюзами OR. Общая архитектура логики массива (GAL) С точки зрения архитектуры GAL похожа на PAL, но разница заключается в программируемой структуре. PAL использует PROM, который можно программировать один раз, тогда как GAL использует EEPROM, который можно перепрограммировать.  Комплексные программируемые логические устройства (CPLD) Переходя от устройств SPLD, мы получаем CPLD. Он разработан на основе устройств SPLD для создания гораздо более крупных и сложных проектов. CPLD состоит из нескольких логических блоков (или функциональных блоков), которые внутренне состоят из Pal или PAL вместе с Macrocell. Macrocell состоит из любых дополнительных схем и контроля полярности сигнала для обеспечения истинного сигнала или его дополнения.  Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) По своей сложности CPLD намного сложнее, чем SPLD. Но FPGA даже сложнее, чем CPLD. Архитектура ПЛИС полностью отличается, поскольку она состоит из программируемых логических ячеек, программируемых межсоединений и программируемых блоков ввода-вывода. Что такое ПЛИС? Программируемые вентильные матрицы или ПЛИС, вкратце, предварительно изготовленные кремниевые устройства, состоящие из матрицы реконфигурируемой логики. схемы и программируемые межсоединения расположены в двумерном массиве. Программируемые логические ячейки могут быть сконфигурированы для выполнения любых цифровых функций, а программируемые межсоединения (или переключатели) обеспечивают соединения между различными логическими ячейками. Используя ПЛИС, вы можете реализовать любой индивидуальный дизайн, указав логику или функцию каждого логического блока и настройки. подключение каждого программируемого переключателя. Поскольку этот процесс разработки нестандартной схемы выполняется в полевых условиях, а не на фабрике, устройство известно как «Программируемое на месте». На следующем изображении показана типичная внутренняя структура ПЛИС в очень широком смысле. Как вы можете видеть, , ядро ​​FPGA состоит из настраиваемых логических ячеек и программируемых соединений. Они окружены рядом программируемых блоков ввода-вывода, которые используются для взаимодействия с внешним миром. Компоненты FPGAL Теперь давайте внимательнее рассмотрим структуру FPGA. Обычно ПЛИС состоит из трех основных компонентов. Это: программируемые логические ячейки (или логические блоки) - отвечают за реализацию основных логических функций; программируемую маршрутизацию - отвечают за соединение логических блоков; блоки IO - которые подключаются к логическим блокам через маршрутизацию и помогают устанавливать внешние соединения. Логический блок Логический блок в ПЛИС на основе Xilinx называется конфигурируемыми логическими блоками или CLB, в то время как аналогичные структуры в ПЛИС на базе Altera называются блоками логических массивов или LAB. Давайте использовать термин CLB для этого обсуждения. CLB - это базовый компонент FPGA, который обеспечивает как логические функции, так и функции хранения. Базовым логическим блоком может быть что угодно, например транзистор, логический элемент И-НЕ, мультиплексоры, справочная таблица (LUT), структура, подобная PAL, или даже процессор. И Xilinx, и Altera используют логические блоки на основе таблицы поиска (LUT) для реализации логики, а также функций хранения. Логический блок может состоять из одного базового логического элемента или набора взаимосвязанных базовых логических элементов, где Базовый логический элемент представляет собой комбинацию справочной таблицы (которая, в свою очередь, состоит из SRAM и мультиплексоров) и триггера. LUT с n входами состоит из 2n битов конфигурации, которые реализуются ячейками SRAM. Используя эти 2n битов SRAM, LUT может быть сконфигурирован для реализации любой логической функции. Маршрутизация Если вычислительные возможности обеспечиваются логическими блоками, то за соединение этих логических блоков отвечает программируемая сеть маршрутизации. Сеть маршрутизации обеспечивает взаимосвязь между одним логическим блоком и другим, а также между логическим блоком и блоком ввода-вывода для полной реализации настраиваемой схемы. Как правило, сеть маршрутизации состоит из соединительных проводов с программируемыми переключателями, которые могут быть настроены с использованием любого из технологии программирования. Существует два основных типа архитектур маршрутизации. К ним относятся: Маршрутизация в островном стиле (также известная как маршрутизация по сетке) Иерархическая маршрутизация В архитектуре маршрутизации в островном стиле логические блоки организованы в двумерный массив и связаны между собой с помощью программируемой сети маршрутизации. Этот тип маршрутизации широко используется в коммерческих FPGA. Многие логические блоки ограничены локальным набором соединений, и архитектура иерархической маршрутизации использует эту функцию, разделяя логические блоки на несколько групп или кластеров. Если логические блоки находятся в одном кластере, то иерархическая маршрутизация связывает их на низком уровне иерархии. Если логические блоки находятся в разных кластерах, то соединение выполняется на более высоком уровне иерархии. Технологии программирования FPGA Мы говорили. о перепрограммируемой архитектуре ПЛИС довольно много, но теперь давайте рассмотрим некоторые из наиболее часто используемых методов программирования, которые отвечают за такую ​​реконфигурируемую архитектуру. Ниже приведены три известные технологии программирования, используемые в ПЛИС. SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseOther Технологии включают EPROM и Fusible Link, но они используются в CPLD и других PLD, но не в FPGA, поэтому давайте ограничимся обсуждением технологий программирования, связанных с FPGA. SRAM Мы знаем, что существует два типа полупроводниковой RAM, называемые SRAM и DRAM. SRAM - это сокращение от Static RAM, а DRAM - от Dynamic Ram. SRAM разработана с использованием транзисторов, и термин статический означает, что значение, загруженное в базовую ячейку памяти SRAM, останется неизменным до тех пор, пока не будет намеренно изменено или пока не будет отключено питание. Типичная ячейка SRAM с 6 транзисторами для хранения 1 бита показана на следующем изображении. В этом отличие от DRAM, который состоит из комбинации транзистора и конденсатора. Термин динамический относится к тому факту, что значение, загруженное в базовую ячейку памяти DRAM, действительно до тех пор, пока в конденсаторе не будет заряда. Поскольку конденсатор со временем теряет свой заряд, ячейку памяти необходимо периодически перезаряжать для поддержания заряда. Это также известно как обновление. Многие поставщики FPGA реализуют ячейки статической памяти в FPGA на основе SRAM для программирования. ПЛИС на основе SRAM используются для программирования как логических ячеек, так и межсоединений, и они стали довольно преобладающими из-за их перепрограммируемости и использования технологии CMOS, которая известна своим низким динамическим энергопотреблением, высокой скоростью и более тесной интеграцией. Flash Близкая альтернатива технологии программирования на основе SRAM основана на технологиях программирования EEPROM или Flash. Основным преимуществом программирования на основе флэш-памяти является его энергонезависимая природа. Несмотря на то, что флэш-память поддерживает возможность перепрограммирования, количество раз, когда это можно сделать, очень мало по сравнению с технологией SRAM. Они реализуются с помощью перемычки, называемой антипредохранителем, которая в незапрограммированном состоянии имеет очень высокое сопротивление и может считаться разомкнутой цепью. При программировании на вход подается высокое напряжение и ток. В результате антифузор, который изначально представляет собой аморфный кремний (в основном изолятор с очень высоким сопротивлением), соединяющий две металлические дорожки, оживает, превращаясь в проводящий поликремний. one занимает меньше всего места, но поставляется только как одноразовая программируемая опция.  Приложения В первые годы появления ПЛИС они обычно использовались для реализации малых и средних сложных конечных автоматов и задач обработки данных с небольшими данными. По мере того, как с годами их сложность и возможности увеличивались, они были включены в несколько автомобильных, бытовых и промышленных приложений. Первоначально ПЛИС предоставляли простой вариант для прототипирования проектов ASIC, поскольку их можно было легко перенастроить для тестирования и опробования нескольких вариантов аппаратного обеспечения. доработка основного дизайна. Но их способность функционировать как конечный продукт с относительно коротким временем вывода на рынок и небольшими затратами на внедрение, они были реализованы как прямые конкуренты некоторым ASIC. Современные FPGA с умножителями, сложной маршрутизацией и встроенной оперативной памятью могут облегчить операции DSP. которые раньше были возможны на специализированных процессорах цифровых сигналов. С снижением стоимости ПЛИС они становятся серьезными соперниками встроенных управляющих приложений. ПЛИС может использоваться для реализации программного процессора любого микроконтроллера вместе с настраиваемыми возможностями ввода-вывода. Связанные сообщения: Введение в технологию ASIC | Различные типы… Что такое промышленная автоматизация?

Оставить сообщение 

Список сообщений