Nozioni di base sull'architettura e sulle applicazioni FPGA

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Il termine FPGA sta per Field Programmable Gate Array ed è un tipo di chip logico a semiconduttore che può essere programmato per diventare quasi ogni tipo di sistema o circuito digitale, simile ai PLD. I PLDS sono limitati a centinaia di gate, ma gli FPGA supportano migliaia di gate. La configurazione dell'architettura FPGA è generalmente specificata utilizzando un linguaggio, cioè HDL (Hardware Description language) che è simile a quello utilizzato per un ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Matrici di porte programmabili sul campo

Matrici di porte programmabili sul campo



Gli FPGA possono fornire una serie di vantaggi rispetto a una tecnologia ASIC a funzione fissa come le celle standard. Normalmente, la produzione degli ASIC richiede mesi e il loro costo sarà di migliaia di dollari per ottenere il dispositivo. Tuttavia, gli FPGA vengono fabbricati in meno di un secondo, il costo varia da pochi dollari a mille dollari.La natura flessibile dell'FPGA ha una significativa area di costo, consumo energetico e ritardo.Quando confrontato con un ASIC a celle standard, un FPGA richiede un'area da 20 a 35 volte maggiore e le prestazioni della velocità saranno da 3 a 4 volte inferiori rispetto all'ASIC. Questo articolo descrive le basi dell'FPGA e il modulo dell'architettura FPGA che include pad I / O, blocchi logici e matrice di commutazione. Gli FPGA sono alcune delle nuove aree di tendenza di VLSI. Pertanto, questi vengono utilizzati in Progetti basati su VLSI per studenti di ingegneria elettronica .


Architettura FPGA

L'architettura FPGA generale è composta da tre tipi di moduli. Sono blocchi I / O o pad, matrice di commutazione / fili di interconnessione e blocchi logici configurabili (CLB). L'architettura FPGA di base ha matrici bidimensionali di blocchi logici con un mezzo per un utente per organizzare l'interconnessione tra i blocchi logici. Le funzioni di un modulo di architettura FPGA sono discusse di seguito:



  • CLB (Configurable Logic Block) include logica digitale, ingressi, uscite. Implementa la logica dell'utente.
  • Le interconnessioni forniscono la direzione tra i blocchi logici per implementare la logica utente.
  • A seconda della logica, la matrice di commutazione fornisce la commutazione tra le interconnessioni.
  • I / O Pad utilizzati per il mondo esterno per comunicare con diverse applicazioni.
Architettura FPGA

Architettura FPGA

Il blocco logico contiene MUX (multiplexer) , D flip flop e LUT. LUT implementa le funzioni logiche combinatorie che il MUX viene utilizzato per la logica di selezione e il flip flop D memorizza l'output della LUT

L'elemento costitutivo di base dell'FPGA è il generatore di funzioni basato su Look Up Table. Il numero di input per la LUT varia da 3,4,6 e persino 8 dopo gli esperimenti. Ora, abbiamo LUT adattivi che forniscono due uscite per singola LUT con l'implementazione di due generatori di funzioni.

Blocco logico FPGA

Blocco logico FPGA

Xilinx Virtex-5 è l'FPGA più popolare, che contiene una Look up Table (LUT) collegata con MUX e un flip flop come discusso sopra. L'attuale FPGA è costituito da circa centinaia o migliaia di blocchi logici configurabili. Per la configurazione dell'FPGA, i software Modelsim e Xilinx ISE vengono utilizzati per generare un file bitstream e per lo sviluppo.


Tipi di FPGA basati sulle applicazioni

Gli array di gate programmabili sul campo sono classificati in tre tipi in base ad applicazioni come FPGA di fascia bassa, FPGA di fascia media e FPGA di fascia alta.

Tipi di FPGA

Tipi di FPGA

FPGA di fascia bassa

Questi tipi di FPGA sono progettati per un basso consumo energetico, una bassa densità logica e una bassa complessità per chip. Esempi di FPGA di fascia bassa sono la famiglia Cyclone di Altera, la famiglia Spartan di Xilinx, la famiglia fusion di Microsemi e il Mach XO / ICE40 di Lattice semiconductor.

FPGA di fascia media

Questi tipi di FPGA sono la soluzione ottimale tra gli FPGA di fascia bassa e di fascia alta e sono sviluppati come un equilibrio tra le prestazioni e il costo. Esempi di FPGA di fascia media sono Arria di Altera, Artix-7 / Kintex-7 series di Xlinix, IGL002 di Microsemi e ECP3 e le serie ECP5 di Lattice semiconductor.

FPGA di fascia alta

Questi tipi di FPGA sono sviluppati per densità logica e prestazioni elevate. Esempi di FPGA di fascia alta sono una famiglia Stratix di Altera, la famiglia Virtex di Xilinx, la famiglia Speedster 22i di Achronix e la famiglia ProASIC3 di Microsemi.

Applicazioni di FPGA:

Gli FPGA hanno acquisito una rapida crescita negli ultimi dieci anni perché sono utili per un'ampia gamma di applicazioni. L'applicazione specifica di un FPGA include elaborazione del segnale digitale, bioinformatica, controller di dispositivi, radio definita da software, logica casuale, prototipazione ASIC, imaging medico, emulazione hardware del computer, integrazione di più SPLD, riconoscimento vocale , crittografia, filtraggio e codifica della comunicazione e molti altri.

Di solito, gli FPGA vengono conservati per particolari applicazioni verticali in cui il volume di produzione è ridotto. Per queste applicazioni a basso volume, le migliori aziende pagano i costi dell'hardware per unità. Oggi, la nuova dinamica delle prestazioni e il costo hanno ampliato la gamma di applicazioni praticabili.

Applicazioni di FPGA

Applicazioni di FPGA

Alcune applicazioni FPGA più comuni sono: aerospaziale e difesa, elettronica medica, prototipazione ASIC, audio, automobilistico, trasmissione, elettronica di consumo, sistemi monetari distribuiti, data center, elaborazione ad alte prestazioni, industriale, medico, strumenti scientifici, Sistemi di sicurezza , Elaborazione di immagini e video, comunicazioni cablate, Comunicazioni wireless .

Idee per progetti basati su FPGA:

Ecco un elenco di idee di progetti basati su FPGA per la sperimentazione con Verilog HDL e VHDL per gli studenti dell'ultimo anno di ingegneria. Il elenco di idee per progetti elettronici basato su FPGA è dato di seguito:

Idee per progetti basati su FPGA

Idee per progetti basati su FPGA

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Dopo aver speso il tuo tempo prezioso su questo articolo, crediamo che tu abbia una buona idea sull'architettura FPGA e sulla selezione dell'argomento del progetto di tua scelta dalle idee di progetto basate su FPGA e speriamo che tu abbia abbastanza fiducia per affrontare qualsiasi argomento dall'elenco. Per ulteriori dettagli e assistenza su questi progetti, puoi scriverci nella sezione commenti riportata di seguito.

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