Introduction au FPGA | Structure, composants, applications

Dans cet article, nous verrons un sujet spécial appelé Field Programmable Gate Arrays ou simplement FPGA. Nous explorerons le concept de dispositifs logiques programmables et différents types de dispositifs programmables sur le terrain (FPD) tels que PLA, PAL, CPLD, FPGA. Nous verrons également l'architecture d'un périphérique FPGA typique ainsi que ses avantages.Introduction généraleUne brève note sur le PLD (périphérique logique programmable)Différents types de PLDProgrammable Logic Array (PLA)Programmable Array Logic (PAL)Generic Array Logic (GAL)Complexe Dispositifs logiques programmables (CPLD)Field Programmable Gate Arrays (FPGA)Qu'est-ce qu'un FPGA ?Composants d'un FPGALogic BlockRoutingFPGA Programming TechnologiesSRAMEEPROM / FlashAnti-FuseApplicationsIntroductionField Programmable Gate Arrays (FPGA) sont des circuits intégrés numériques (circuits intégrés) qui permettent à l'ingénieur de conception de matériel une logique numérique personnalisée selon ses besoins. Le terme « Field Programmable » implique que la logique numérique du circuit intégré n'est pas fixée lors de sa fabrication (ou fabrication) mais qu'elle est plutôt programmée par l'utilisateur final (concepteur). Afin de fournir cette programmabilité, un FPGA se compose de Configurables. (ou programmables) des blocs logiques et des interconnexions configurables entre ces blocs. Cette logique configurable et les interconnexions (routage) des FPGA les rendent polyvalents et flexibles, mais en même temps, cela les rend également lents et gourmands en énergie par rapport à un ASIC de calibre similaire avec des cellules standard. Cela fait plus de trois décennies depuis l'introduction des FPGA sur le marché et au cours de cette longue période, ils ont subi de graves avancées technologiques et ont acquis une popularité sans cesse croissante. Une brève note sur le PLD (Programmable Logic Device) Avant de plonger dans le sujet principal, je souhaite discuter brièvement du concept de dispositifs logiques programmables. Alors, qu'est-ce qu'un PLD. Il s'agit d'un circuit intégré contenant un grand nombre de portes logiques et de bascules qui peuvent être configurées par l'utilisateur pour mettre en œuvre une grande variété de fonctions. Le plus simple des dispositifs logiques programmables consiste en un ensemble de portes ET et OU et de la logique de ces les portes et leurs interconnexions peuvent être configurées par un processus de programmation. Les PLD sont particulièrement utiles lorsqu'un ingénieur souhaite mettre en œuvre une logique personnalisée et est limité par les circuits intégrés préconfigurés. Les PLD offrent un moyen de mettre en œuvre un circuit numérique personnalisé grâce à la puissance de la configuration matérielle plutôt que de l'implémenter à l'aide d'un logiciel. Différents types de PLD Fondamentalement, les PLD peuvent être classés en trois types. Ce sont : les dispositifs logiques programmables simples (SPLD) les dispositifs logiques programmables complexes (CPLD) les matrices de portes programmables sur le terrain (FPGA) GAL) Voyons maintenant quelques détails de base sur tous ces PLD. Réseau logique programmable (PLA) Un PLA se compose d'un plan de porte ET avec des interconnexions programmables et d'un plan de porte OU avec des interconnexions programmables. Ce qui suit est un simple PLA à quatre entrées et quatre sorties avec des portes ET et OU. Toute entrée peut être connectée à n'importe quelle porte ET en connectant les lignes d'interconnexion horizontale et verticale. Les sorties de différentes portes ET peuvent ensuite être appliquées à l'une des portes OU avec des interconnexions programmables. Logique de réseau programmable (PAL) Un PAL est similaire au PLA mais la différence est que dans PAL, seul le plan de porte ET est programmable tandis que Le plan de la porte OU est fixé lors de la fabrication. Même si les PAL sont moins flexibles que les PLA, ils éliminent les délais associés aux portes OU programmables. En termes d'architecture, une GAL est similaire à une PAL mais la différence réside dans la structure programmable. Les PAL utilisent la PROM, qui est programmable une fois, tandis que la GAL utilise l'EEPROM, qui peut être reprogrammée.  Dispositifs logiques programmables complexes (CPLD) En passant des dispositifs SPLD, nous obtenons CPLD. Il est développé sur les appareils SPLD pour créer des conceptions plus grandes et complexes. Un CPLD se compose d'un certain nombre de blocs logiques (ou blocs fonctionnels), qui se composent en interne d'un Pal ou d'un PAL avec une Macrocell.Macrocell se compose de tout circuit supplémentaire et contrôle de polarité du signal pour fournir un signal vrai ou son complément.  FPGA (Field Programmable Gate Arrays) En termes de complexité, les CPLD sont beaucoup plus complexes que les SPLD. Mais les FPGA sont encore plus complexes que les CPLD. L'architecture d'un FPGA est complètement différente car elle se compose de cellules logiques programmables, d'interconnexions programmables et de blocs d'E/S programmables. des circuits et des interconnexions programmables disposés en un réseau bidimensionnel. Les cellules logiques programmables peuvent être configurées pour exécuter n'importe quelle fonction numérique et les interconnexions programmables (ou commutateurs) fournissent les connexions entre les différentes cellules logiques. À l'aide d'un FPGA, vous pouvez mettre en œuvre n'importe quelle conception personnalisée en spécifiant la logique ou la fonction de chaque bloc logique et en définissant la connexion de chaque interrupteur programmable. Étant donné que ce processus de conception d'un circuit personnalisé se fait sur le terrain plutôt que dans une usine, l'appareil est connu sous le nom de "Field Programmable". L'image suivante montre une structure interne typique d'un FPGA dans un sens très large. Comme vous pouvez le voir , le cœur du FPGA est constitué de cellules logiques configurables et d'interconnexions programmables. Ceux-ci sont entourés d'un certain nombre de blocs d'E/S programmables, qui sont utilisés pour communiquer avec le monde extérieur. Composants d'un FPGA Regardons maintenant de plus près la structure d'un FPGA. En règle générale, un FPGA se compose de trois composants de base. Ce sont : Cellules logiques programmables (ou blocs logiques) - responsables de la mise en œuvre des fonctions logiques de base. Routage programmable - responsable de la connexion des blocs logiques. Blocs IO - qui sont connectés aux blocs logiques via le routage et aident à établir des connexions externes. Bloc logique Le bloc logique dans les FPGA basés sur Xilinx est appelé blocs logiques configurables ou CLB, tandis que les structures similaires dans les FPGA basés sur Altera sont appelées blocs logiques ou LAB. Utilisons le terme CLB pour cette discussion. Un CLB est le composant de base d'un FPGA, qui fournit à la fois les fonctionnalités logiques et de stockage. Le bloc logique de base peut être n'importe quoi comme un transistor, une porte NAND, des multiplexeurs, une table de consultation (LUT), une structure de type PAL ou même un processeur. Xilinx et Altera utilisent tous deux des blocs logiques basés sur une table de consultation (LUT) pour implémenter la logique ainsi que les fonctionnalités de stockage. Un bloc logique peut être composé d'un seul élément logique de base ou d'un ensemble d'éléments logiques de base interconnectés, où un L'élément logique de base est une combinaison d'une table de consultation (qui est à son tour composée de SRAM et de multiplexeurs) et d'une bascule. Une LUT avec « n » entrées se compose de 2n bits de configuration, qui sont implémentés par des cellules SRAM. En utilisant ces 2n bits SRAM, la LUT peut être configurée pour mettre en œuvre n'importe quelle fonction logique.RoutageSi la fonctionnalité de calcul est fournie par les blocs logiques, le réseau de routage programmable est responsable de l'interconnexion de ces blocs logiques. Le réseau de routage fournit des interconnexions entre un bloc logique à l'autre ainsi qu'entre le bloc logique et le bloc IO pour implémenter complètement un circuit personnalisé. Fondamentalement, le réseau de routage consiste à connecter des fils avec des commutateurs programmables, qui peuvent être configurés à l'aide de l'un des technologies de programmation. Il existe essentiellement deux types d'architectures de routage. Il s'agit des éléments suivants : routage de style insulaire (également connu sous le nom de routage maillé) routage hiérarchique Dans l'architecture de routage de style insulaire, les blocs logiques sont disposés en un tableau à deux dimensions et sont interconnectés à l'aide d'un réseau de routage programmable. Ce type de routage est largement utilisé dans les FPGA commerciaux. De nombreux blocs logiques sont confinés à un ensemble local de connexions et l'architecture de routage hiérarchique utilise cette fonctionnalité en divisant les blocs logiques en plusieurs groupes ou clusters. Si les blocs logiques résident dans le même cluster, alors le routage hiérarchique les connecte dans un bas niveau de hiérarchie. Si les blocs logiques résident dans différents clusters, alors le câblage est effectué sur un niveau de hiérarchie plus élevé. Technologies de programmation FPGA sur l'architecture reprogrammable des FPGA, mais voyons maintenant quelques-unes des techniques de programmation les plus couramment utilisées qui sont responsables d'une telle architecture reconfigurable. Voici trois des technologies de programmation bien connues utilisées dans les FPGA.SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseAutre les technologies incluent EPROM et Fusible Link, mais elles sont utilisées dans les CPLD et autres PLD mais pas dans les FPGA. Par conséquent, limitons la discussion aux technologies de programmation liées aux FPGA. SRAM Nous savons qu'il existe deux types de RAM à semi-conducteurs appelées SRAM et DRAM. SRAM est l'abréviation de Static RAM tandis que DRAM est l'abréviation de Dynamic Ram. La SRAM est conçue à l'aide de transistors et le terme statique signifie que la valeur chargée sur une cellule de mémoire SRAM de base restera la même jusqu'à ce qu'elle soit délibérément modifiée ou lorsque l'alimentation est coupée. Une cellule SRAM typique à 6 transistors pour stocker 1 bit est illustrée dans l'image suivante Cela contraste avec la DRAM, qui consiste en une combinaison d'un transistor et d'un condensateur. Le terme dynamique fait référence au fait que la valeur chargée dans la cellule mémoire DRAM de base est valide jusqu'à ce qu'il y ait une charge dans le condensateur. Comme le condensateur perd sa charge avec le temps, la cellule mémoire doit être rechargée périodiquement pour maintenir la charge. Ceci est également connu sous le nom de rafraîchissement. De nombreux fournisseurs de FPGA implémentent des cellules de mémoire statiques dans des FPGA basés sur SRAM pour la programmation. Les FPGA basés sur SRAM sont utilisés pour programmer à la fois les cellules logiques et les interconnexions et ils sont devenus assez prédominants en raison de leur reprogrammabilité et de l'utilisation de la technologie CMOS, connue pour sa faible consommation d'énergie dynamique, sa vitesse élevée et son intégration plus étroite.EEPROM / FlashUne alternative proche à la technologie de programmation basée sur SRAM est basée sur les technologies de programmation EEPROM ou Flash. Le principal avantage de la programmation flash est sa nature non volatile. Même si le flash prend en charge la reprogrammabilité, le nombre de fois que cela peut être fait est très faible par rapport à une technologie SRAM.Anti-FuseLa technologie de programmation anti-fusible est une ancienne technique de production de dispositifs programmables une fois. Ils sont mis en œuvre à l'aide d'un lien appelé antifusible, qui, dans son état non programmé, a une résistance très élevée et peut être considéré comme un circuit ouvert. Lors de la programmation, une tension et un courant élevés sont fournis à l'entrée. De ce fait, l'antifusible, initialement sous forme de silicium amorphe (en gros un isolant à très haute résistance) reliant deux pistes métalliques, prend vie en se transformant en un polysilicium conducteur. Comparé aux deux autres technologies, l'antifusible l'un occupe le moins d'espace mais n'est proposé qu'une seule fois en option.  Applications Dans les premières années de l'introduction des FPGA, ils étaient généralement utilisés pour implémenter des machines à états complexes de petite à moyenne taille et des tâches de traitement de données sur de petites données. Au fur et à mesure que leur complexité et leurs capacités augmentaient au fil des ans, ils ont été incorporés dans plusieurs applications automobiles, grand public et industrielles. Initialement, les FPGA offraient une option simple pour prototyper des conceptions ASIC car ils peuvent être facilement reconfigurés pour tester et essayer plusieurs variantes du matériel avant finaliser la conception principale. Mais leur capacité à fonctionner comme un produit final avec un délai de mise sur le marché relativement court et des coûts de mise en œuvre réduits, ils ont été mis en œuvre en tant que concurrents directs de certains ASIC. Les FPGA modernes avec multiplicateurs, routage complexe et RAM sur puce peuvent faciliter les opérations DSP. qui étaient auparavant possibles sur des processeurs de signaux numériques dédiés. Avec la baisse du coût des FPGA, ils deviennent de sérieux prétendants aux applications de contrôle embarquées. Un FPGA peut être utilisé pour implémenter un processeur soft-core de n'importe quel microcontrôleur ainsi que des capacités d'E/S personnalisées. Différents types,… Qu'est-ce que l'automatisation industrielle ?

Laisser un message 

Liste des messages