Шта је ФПГА једноставан језик за почетнике

Са чиме је повезана дигитална електроника? Пре свега, са логичким елементима И, ИЛИ, НЕ. Надаље, регистри меморије, декодери, мултиплексери итд. Долазе у меморију. Међутим, како сложеност електронских уређаја и тенденција ка минијатуризацији расте, стварање уређаја заснованих на интегрисаним круговима (ИЦ-и) од горе наведених компоненти постајало је теже, прилагођени ИЦ-ови потребне топологије и склопа показали су се корисним само када се уређај поновио у великом броју, у другим случајевима био је неразумно скуп.

Излаз из ове ситуације био је развој програмабилних интегрисаних логичких склопова (скраћено ФПГА, страна скраћеница као програмабилни логички уређај, ПЛД). Шта је то и где се користи рећи ћемо у овом чланку.

Разлике од микроконтролера

Са речју „програмирљив“, већина почетника се асоцира са микроконтролерима. Упркос чињеници да су и програмирани, ФПГА су потпуно другачији уређаји.

За програмере у микроконтролерима доступан је фиксни скуп решења и средстава који су својствени одређеном чипу и неће се на било који начин повући из архитектуре. Дато вам је скуп наредби са којима обављате операције интеракције са околином, читањем података са дигиталних и аналогних улаза и слањем сигнала актуаторима помоћу излаза.

Поред тога, можете вршити прорачуне, чувати податке у регистрима или РОМ-овима, као и радити са подацима уписаним у меморију микроконтролера. На томе су, у основи, сврха и карактеристике рада са микроконтролерима.

Програмирани логички интегрисани склопови (ФПГА) разликују се по томе што када програмирате уређај, сами креирате архитектуру из основних логичких елемената. Тако добијате велику брзину и флексибилност чипа. То омогућава, без промене једног чипа, прављење више пројеката.

Генерално, интерни ФПГА уређај се може поделити у три главне групе:

1. Низ логичких елемената (макроћелије, логички блокови).

2. Улазно / излазни блокови (ИО).

3. Комуникацијске линије између њих и уређаја који управља тим везама.

Међутим, такво је структуирање врло уопштено, па ћемо ово питање детаљније размотрити у даљем тексту.

Програмирањем повезујете елементе на исти начин као што би то радили, састављајући уређај од појединачних елемената и повезујући њихове улазе и излазе са проводницима.

Напомена:

Главна разлика између ФПГА и микроконтролера је та што у микроконтролеру не можете да мењате унутрашње везе између најједноставнијих елемената, а програмирање и рад са њима заснован је на регистровању веза.

Избор микроконтролера заснован је на многим критеријумима, као што су:

• Брзина и такт;

• Количина РОМ-а и РАМ-а;

• Број улаза и излаза.

Остале функционалне карактеристике и периферне јединице, као што су подршка за комуникацијске линије и протоколе (И2Ц, једножилни, ПВМ сигнал, итд.).

Када бирате ФПГА, главни критеријум је број програмабилних блокова - они би требали бити довољни за имплементацију задатка.

Зависно од конкретне ФПГА, број блокова може варирати у широким границама, а сходно томе и трошак.

Микроконтролер узастопно обавља све операције прописане у његовом програму, док блокови ФПГА извршавају задатак паралелно и независно једни од других, па је упоређивање ових уређаја према тактној фреквенцији непрактично. Њихов принцип рада је превише различит.

Врсте

Тренутно су релевантне две главне врсте ФПГА-а:

1. ЦПЛД (Сложени програмирљиви логички уређај - Програмирани логички интегрисани круг, у ствари то је ФПГА у свом класичном смислу). Обично има уграђену нехлапљиву меморију у коју се учитава фирмвер.

Унутрашња структура је изграђена на матрици макроћелија или логичких блокова, а број елемената у њима налази се у распону од стотина и хиљада комада. Због своје релативне једноставности, они су јефтинији од следеће врсте програмабилне логике. Све то доводи до чињенице да се ЦПЛД користи углавном у склоповима у којима је потребна велика брзина и велики број излаза, изводећи једноставне задатке.

2. ФПГА (Фиелд Программабле Гате Арраи - Фиелд Программабле Гате Арраи, но често се назива ФПГА) - развијенији и сложенији уређаји у поређењу са ЦПЛД-ом, изграђени су на логичким блоковима са флексибилним пребацивањем и садрже већи број елемената (десетине или стотине хиљада комада).

Фирмвер се обично чува у спољној нехлапљивој меморији. Поред најједноставнијих логичких елемената, ФПГА могу садржавати готове блокове за обављање било којих операција, на пример, блокови за обраду ДСП сигнала. Све ово вам омогућава да имплементирате процесор, уређаје за обраду сигнала и остале сложене уређаје.

Занимљиво:

Иако у ствари присуство нехлапљиве меморије не чини програмирати логику ЦПЛД. Ово је делимично погрешно. Главна разлика између ЦПЛД и ФПГА је унутрашња структура.

Интерни ЦПЛД је детаљније приказан на слици испод.

А приближна шема његове макроћелије изгледа овако:

Макроћелија се састоји од програмабилних мултиплексера, окидача (једног или више) и формира групу излазних ФБ сигнала у неколико верзија.

Следи још један пример - блок дијаграм ЦПЛД чипа из породице чипова Алтера МАКС ИИ.

И структурни план чипова исте породице.

Средње гуме се додељују макро ћелијама помоћу чвора као што је дистрибутер на енглеском језику. звучи као логички алокатор, који је приказан на доњем дијаграму, такође приказује матрицу пребацивања (Глобал Роутинг Поол), а на излазу макроћелије (мацроцеллс) имају две повратне информације.

Спољни излази микро круга повезани су с излазима макроћелија преко другог блока (матрице) - ОРП (Оутпут Роутинг Поол), имајте на уму да је путем њега логика ИНПУТ повезана на ГРП, као што је приказано на доњој слици.

Напомена:

Неки ЦПЛД-ови имају тзв директни улази (Дирецт Инпут) - повезани су директно на улазе ћелија, што смањује кашњења.

ФПГА структура има облик:

• Л - логички подесиви блок;

• С (блок супституције) - блок супституције, он прима одређени број битова по потезу, претвара се према одређеном алгоритму и на излазу добија различит број битова. Другим речима, декодер, шифрир и преклопник.

• Ц (блок везе) - блок везе.

С-блок дијаграм:

 

Програмирање

ХДЛ (Хардвер Опис језика) - ово је језик на којем се програмирају ФПГА. Популарни и свестрани су Верилог ХДЛ и ВХДЛ. Постоје и други језици, попут оних специфичних за произвођаче, као што је АХДЛ за АЛТЕРА производе.

Графичко програмирање доступно је програмерима који раде са ФПГА-овима. То јест, једноставно можете цртати логичке склопове или комбиновати код с графиком. Потоњи се назива методом модуларног развоја, када су прописани посебни модули, а горњи модул, у коме је све комбиновано, графички се програмира.

Примери популарних произвођача и серија

У тренутку писања најпознатији су производи два произвођача.

• Алтера (основана 1983);

• Ксилинк (основан 1984).

Алтера има неколико главних серија логике за програмирање:

• МАКС, МАКС ИИ, МАКС ИИЗ;

• 7000С;

• 3000А;

• МАКС В;

• Циклона

• Арриа;

• Стратик

Размотримо сваки од њих детаљније. У доњим табелама видите опште информације о чиповима породице.

Алтера 3 ЦПЛД ЦПЛД:

• МАКС је ЦПЛД за употребу у мобилним уређајима, одлика су релативно мала потрошња енергије и расипање топлоте. У зависности од сложености и година издавања, разликују се следеће модификације:

• До сада је 7000С застарио, објављен је 1995. године.

• 3000А - издан 2002. године, производи се коришћењем 300нм технологије. Састоји се од малог броја макроћелија (32-512)

• МАКС ИИ издан 2004. године, произведен је 100нм технологијом, састоји се од већег броја јединица (240-2210) које раде на фреквенцијама до 304 МХз. Производ се израђује у случајевима ТКФП 0,5 мл са 100 или више ногу.

• МАКС ИИЗ - 2007, главна карактеристика је смањена потрошња електричне енергије - ово је позитивна ствар, међутим, фреквенције су смањене на 152 МХз. Ови микро-склопови се напајају од 1,8 В.

• МАКС В - 2010 год. Произведен је по 180нм технологији, може да садржи 40 до 2210 блокова и да ради на фреквенцијама до 152МХз или на 304МХз - то зависи од броја блокова.

ФПГА:

• Цицлоне је буџетски чип типа ФПГА. Постоји пет генерација које су означене грчким бројевима (од И до В). Прва генерација лансирана је 2002. године, произведена је 180нм технологијом, а пета генерација је објављена 2011. године и произведена је 28нм технологијом. Вреди напоменути да су све генерације и даље релевантне.

• Арриа - такође се односе на ФПГА средње класе.

• Стратик - моћни ФПГА-и.

Испод су Алтера ФПГА програмирљиве логичке табеле.

И пуни сто на линку:хттпс://ру.елецтрохомепро.цом/таблитса.доцк

Произвођач Ксилинк ЦПЛД представљен у серији:

• КСЦ9500КСЛ од 36-288 макроћелија. Раде на фреквенцијама до 178 МХз, а модели на 288 макро ћелија на 208 МХз. Изводи се као у малим случајевима са 44 игле (одводи) на удаљености од 0,8 мм један од другог - такви случајеви се сматрају лако лемљеним. Такође се испоручује са 64 и 100 кракова у корацима од 0,5 мм, као и модели у кућиштима типа ПЛЦЦ.

• ЦоолРуннер-ИИ серија је енергетски ефикасан, а истовремено продуктиван ЦПЛД. Ова карактеристика се напаја напоном од 1,8 В, а улази и излази дизајнирани су да раде у опсегу од 1,5-3,3 В. Састоје се од 32-512 макроћелија и производе се употребом 180нм технологије. У зависности од броја ћелија, они раде у фреквенцијском опсегу 179-323 МХз, а што су ћелије мање, то је већа фреквенција у овом случају. Они се налазе у различитим случајевима, укључујући лако лемљење, као и у микровезама горе разматраних серија.

Компанија Ксилинк није прошла поред ФПГА-е:

• Спартан-6 - састоје се од логичких блокова са 6 улаза, њихов број се налази у распону од 3840-147443 комада. Занимљиво је што могу да садрже контролере за размену података као што су ДДР2, ДДР3, ПЦИ-ЕКСПРЕСС, Етхернет 1Гбит, СериалАТА итд ...

• Серија Витрек-7 је сложена, микро-склопови могу да садрже до 2.000.000 логичких блокова и 1.200 контаката.

Испод можете пронаћи резиме табеле са ЦПЛД и ФПГА спецификацијама из Ксилинк 6 и 7 серије, као и Зинк-7000.

Закључак

ФПГА и ППВМ производе и друге компаније попут Латтице Семицондуцтор (2002. године су почеле да производе ФПГА), Ацтел и његове познате читаоце са наше странице. микроконтролери АТМЕЛ и многи други. На програмираној логици можете имплементирати бројне уређаје, имплементирати паралелне прорачуне независно један од другог у једном уређају, међутим, за кућне пројекте њихова куповина је често финансијски неоправдана, али истовремено прилично разумна на нивоу производње, као алтернатива прилагођеним интегрисаним круговима.

П.С.Погледајте видео, у њему ћете видети пример имплементације Нинтендо играће конзоле на ФПГА: