FPGA

Un circuit integrat logic programabil ( FPGA , dispozitiv logic programabil în engleză , PLD ) este o componentă electronică ( circuit  integrat ) utilizată pentru a crea circuite electronice digitale configurabile . Spre deosebire de circuitele digitale convenționale , logica FPGA nu este determinată în timpul producției, ci este setată prin programare ( proiectare ). Pentru programare, se utilizează un programator și un IDE (mediu de depanare), care vă permit să setați structura dorită a unui dispozitiv digital sub forma unei scheme de circuit sau a unui program în limbaje speciale de descriere hardware ( Verilog , VHDL , AHDL ). , și altele). O alternativă la FPGA sunt:

• BMK - cristale matrice de bază , care necesită un proces de producție din fabrică pentru programare;
• ASIC  - circuite integrate mari (LSI) specializate la comandă, care sunt semnificativ mai scumpe pentru producția la scară mică și dintr-o singură piesă;
• calculatoare specializate , procesoare (de exemplu, procesor de semnal digital ) sau microcontrolere , care, datorită modului software de implementare a algoritmilor în funcțiune, sunt mai lente decât FPGA-urile;
• dispozitive și sisteme digitale neprogramabile configurate pentru a rezolva sarcini precunoscute, construite pe principiile așa-numitei „logicii dure”.

Unii producători oferă procesoare software pentru FPGA-urile lor care pot fi modificate pentru o anumită sarcină și apoi încorporate în FPGA. Astfel:

• este prevăzută o creștere a spațiului liber pe placa de circuit imprimat (posibilitatea de a reduce dimensiunea plăcii);
• Designul FPGA este simplificat;
• crește viteza FPGA.

Etape de proiectare

1. Setarea unei scheme de circuit sau a unui program în limbaje speciale de descriere hardware ( Verilog , VHDL , AHDL și altele).
2. Sinteză logică folosind programe de sintetizator (obținerea unei liste de conexiuni electrice (sub formă de text) dintr-un model abstract scris în limbajul de descriere hardware ).
3. Proiectarea unei plăci de circuit imprimat a unui dispozitiv utilizând un sistem de proiectare asistată de computer ( CAD ) pentru plăci de circuite imprimate ( Altium Designer , P-CAD și altele), care găzduiește un cip FPGA și alte componente electronice (rezistoare, condensatoare, generatoare, ADC-uri). , conectori și altele).
4. Crearea unui fișier de configurare FPGA.
5. Încărcarea unui fișier de configurare într-un cip FPGA sau într-un cip de memorie separat. Ca rezultat al încărcării, cipul FPGA dobândește funcționalitatea specificată.

Aplicație

FPGA este utilizat pe scară largă pentru a construi dispozitive digitale de diferite complexități și capacități , de exemplu:

• dispozitive cu un număr mare de porturi I/O (există FPGA-uri cu mai mult de 1000 de ieșiri ("pini");
• dispozitive care efectuează procesare digitală a semnalului (DSP);
• echipamente audio video digital;
• dispozitive care transmit date la viteză mare;
• dispozitive care efectuează operațiuni criptografice , sisteme de securitate a informațiilor ;
• dispozitive destinate proiectării și prototipării circuitelor integrate pentru scopuri speciale (ASIC);
• dispozitive care acționează ca punți (comutatoare) între sisteme cu logică și tensiune de alimentare diferite;
• implementări de neurocipuri ;
• dispozitive care efectuează simulări de calcul cuantic ;
• dispozitive care procesează informații radar .

Tipuri FPGA

FPGA timpurii

În 1970, Texas Instruments (denumită în continuare „TI”) a dezvoltat circuite integrate mascate (adică programabile folosind o mască, programabile cu mască în engleză  ) (denumite în continuare CI) bazate pe ROM asociativă (ROAM) de la IBM . Acest cip a fost numit TMS2000 și a fost programat prin alternarea straturilor de metal în timpul procesului de fabricație IC . TMS2000 avea până la 17 intrări și 18 ieșiri cu 8 flip-flop JK ca memorie. Pentru aceste dispozitive, TI a inventat termenul PLA . matrice logica  programabila - matrice logica programabila.  

PAL

PAL ( logica matrice programabilă ) este o  matrice programabilă (matrice) de logică. În URSS, PLA și PLM nu diferă și au fost desemnate ca PLA ( matricea logică programabilă ) . Diferența dintre PLA și PLM este accesibilitatea programării structurii interne (matrici).

GAL

GAL ( logica generală  a matricei ) sunt FPGA-uri care au o matrice AND programabilă și o matrice SAU fixă.

CPLD

CPLD-urile ( eng.  complex programmable logic device  - complex programmable logic devices) conțin blocuri logice programabile relativ mari - macrocelule conectate la ieșiri externe și magistrale interne. Funcționalitatea CPLD este codificată în memoria nevolatilă , deci nu este nevoie să le reprogramați la pornire. Poate fi folosit pentru extinderea I/O lângă cipuri mari sau pentru preprocesarea semnalului (de exemplu , controler portul COM , USB , VGA ).

FPGA

FPGA ( field-programmable gate array ) conțin blocuri de multiplicare-sumare, care sunt utilizate pe scară largă în procesarea semnalului (DSP, ing  . procesare digitală a semnalului ), precum și elemente logice (de obicei bazate pe tabele de conversie - tabele de adevăr) și blocurile lor de comutare . FPGA-urile sunt de obicei utilizate pentru procesarea semnalului, au mai multe porți logice și sunt mai flexibile în arhitectură decât CPLD-urile. Programul pentru FPGA este stocat în memoria distribuită, care poate fi executată atât pe baza celulelor RAM statice volatile (astfel de microcircuite sunt produse, de exemplu, de Xilinx și Altera ) - în acest caz, programul nu este salvat când sursa de alimentare a microcircuitului este pierdută și pe baza celulelor de memorie flash nevolatile sau a jumperilor antifuzibil (astfel de microcircuite sunt fabricate de Actel și Lattice Semiconductor ) - în aceste cazuri, programul este salvat atunci când se întrerupe alimentarea. Dacă programul este stocat în memorie volatilă , atunci de fiecare dată când microcircuitul este pornit, acesta trebuie reconfigurat utilizând bootloader-ul, care poate fi, de asemenea, încorporat în FPGA-ul însuși. O alternativă la FPGA FPGA-urile sunt procesoarele de semnal digital mai lente. FPGA-urile sunt, de asemenea, utilizate ca acceleratoare universale de procesor în supercomputere (de exemplu, computerul Cray XD1 de la Cray , proiectul RASC de la Silicon Graphics ("SGI")).  

Unii dintre producătorii de FPGA din lume

• Achronix
• Actel
• Altera
• Atmel
• Semiconductor latice
• Xilinx [1]
• TSMC

Vezi și

• Circuit integrat analog programabil
• Matrice de porți programabilă de utilizator
• Scanare periferică
• Sistem pe un cip

Note

1. ↑ Slyusar V.I. Dezvoltarea circuitelor în Republica Centrafricană: câteva rezultate. Partea 2.// Prima milă. Ultima milă (Supliment la revista „Electronics: science, technology, business”). – N2. - 2018. S. 76 - 80. (2018). Preluat la 6 aprilie 2020. Arhivat din original la 20 iunie 2018. (nedefinit)

Literatură

• Ugryumov EP Capitolul 7. Rețele logice programabile, logica matriceală programabilă, cristale matriceale de bază / Ingineria circuitelor digitale. Proc. indemnizație pentru universități. Ediția 2, BHV-Petersburg, 2004. S. 357.

Link -uri

• Exemplu de dezvoltare în WinCupl pe SPLD ATF16V8 .
• Tutoriale video de proiectare Xilinx FPGA Arhivat 2 iulie 2012 la Wayback Machine .
• Descrieri ale FPGA-urilor de la companii binecunoscute .
• Solovyov V., Klimovich A. " Introducere în proiectarea circuitelor combinaționale pe FPGA Arhivat 17 septembrie 2011 la Wayback Machine ".
• " FPGA Design in Altera Quartus II Arhivat 20 august 2013 la Wayback Machine ".
• Platforme. Tehnologia FPGA și aplicația acesteia pentru a crea neurocipuri Copie de arhivă din 15 aprilie 2011 la Wayback Machine .
• V. Steshenko, FPGA Implementarea demodulatoarelor digitale ale semnalelor de introducere a deplasării în frecvență . Departamentul SM5 MSTU im. N. E. Bauman .
• Steshenko V. „ Școala de dezvoltare a echipamentelor pentru procesarea semnalului digital pe FPGA ”.
• Principalii producători de computere moderne FPGA și componente pentru acestea . Copie arhivată din 18 august 2021 la Wayback Machine .