Programare Avansata cu FPGA - 1 1. Circuite programabile. Prezentare generală  Circuitele integrate se pot împărţi în trei clase principale: Personalizate semi-personalizate Standard Cele semi-personalizate se împart la rândul lor în: programabile prin intermediul unei măşti (gate array, ROM ) programabile de către utilizator (PROM, CPLD, FPGA).

Circuite programabile. Prezentare generală

Circuite programabile. Prezentare generală Trei dintre tipurile de circuitele prezentate mai sus au un succes din ce în ce mai important pe piaţă în ultimul timp: ASIC-urile care au avut un mare succes în anii 80 şi 90 CPLD-urile pentru aplicaţii ce nu necesită foarte multe porţi logice şi nici performanţe ridicate FPGA-urile ce pot fi folosite într-o multitudine de domenii dintre cele mai variate din domeniul electronicii sau al ştiinţei calculatoarelor şi nu numai.

CPLD Avantaje / dezavantaje CPLD (Complex Programable Logic Devices) sunt de obicei produse de aceleaşi companii ca şi circuitele FPGA din punct de vedere al costului sunt între ASIC-uri şi FPGA-uri din punctul de vedere al performanţelor sunt întrecute de ambele.

CPLD Avantaje / dezavantaje Sunt construite dintr-o matrice de blocuri logice interconectate printr-o matrice de switch-uri programabile. În mod curent fiecare bloc logic conţine patru până la şase macrocelule, în funcţie de arhitectură. Una din primele companii producătoare de CPLD-uri şi cea cu cel mai mare succes pe această piaţă este Altera cu familia MAX (Multiple Array Matrix) ce are la bază două componente principale: LAB (Logic Array Blocks) PIA (Programmable Interconnect Array).

Familii de FPGA-uri În ultimii ani, numărul firmelor producătoare de circuite FPGA aproape că s-a dublat, existând în acest moment cel puţin 7 firme importante pe piaţă în acest domeniu: Xilinx Altera Actel,Lucent, Atmel, Lattice Semiconductor şi QuickLogic. Numărul mare de firme producătoare se explică prin extinderea pieţei FPGA-urilor după cum urmează: 1999: 442.000.000 US$ 2000: 620.000.000 US$ 2002: 2.300.000.000 US$ 004: 2.940.000.000 US$

Distribuţia pe procente a pieţei de FPGA-uri în patru ani consecutivi:

Principalele familii de astfel de circuite produse sunt: FPGA-uri Xilinx După cum se poate observa şi din graficele prezentate anterior, firma Xilinx Inc. deţine poziţia de lider pe piaţa actuală de FPGA-uri. Principalele familii de astfel de circuite produse sunt: Spartan (XL, II, II-E, III) Virtex/Virtex-E.

FPGA-uri Spartan Familia de FPGA-uri Spartan a fost dezvoltată începând cu anul 1998 şi are următoarele caracteristici principale: sunt FPGA-uri de tip SRAM ce au incorporată şi memorie RAM pentru uzul clientului şi nu doar ca resurse interne de rutare; prima familie de FPGA ce poate înlocui cu succes ASIC-urile din punctul de vedere al performanţei; cel mai bun raport preţ/performanţă din industria de profil; performanţă înaltă din punctul de vedere al frecvenţelor de ceas suportate (100MHz - 200MHz); preţ foarte scăzut: 2.49$ pentru Spartan-XL; cele mai avantajoase din punctul de vedere al puterii consumate (50% faţă de FPGA-urile cu acelaşi număr de porţi produse de alte companii); sunt cu cel puţin 10% mai rapide decât produsele similare ale competiţiei;

Familia de FPGA-uri Spartan (XL, II şi II-E)

FPGA-uri Virtex Familia Virtex este cea mai nouă şi mai modernă familie de FPGA-uri Xilinx, este dezvoltată începând cu anul 1999 şi are următoarele caracteristici mai importante: densitate de porţi logice pornind de la 50000 şi până la 3 milioane de porţi logice; suportă 20 de standarde de I/O printre care şi trei standarde de intrare / ieşire diferenţiale; până la 804 I/O la peste 311 Mb/s fiecare; au până la 832Kb de memorie BRAM internă; suport simultan pentru voltaje diferite (1.8, 2.5, 3.3 şi 5V); suportă frecvenţe de ceas de peste 300 MHz; suportă transfer de date DDR între două FPGA-uri de acelaşi tip; prezintă cozi de date interne; prezintă suport pentru standardul PCI-X; sunt cele mai rapide FPGA-uri de pe piaţă în acest moment;

FPGA-uri Virtex

FPGA-uri Altera Altera ocupă în prezent cea de-a doua poziţie pe piaţa de circuite FPGA, dar ocupă primul loc în ceea ce priveşte producţia de circuite CPLD. În ultimii ani diferenţele de volum de producţie dintre Xilinx şi Altera s-au micşorat în favoarea celor din urmă. Din punctul de vedere al tipurilor de tipurilor de arii logice programabile, Altera produce atât FPGA-uri SRAM (de exemplu familia FLEX) cât şi FPGA-uri ce se bazează pe tehnologia EPROM (familia MAX de CPLD şi FPGA). Principalele familii de arii logice programabile oferite de Altera sunt: Acex, FLEX, APEX, Cyclone şi Stratix.

FPGA-uri Altera Familia de FPGA-uri FLEX are trei ramuri principale: FLEX6000, FLEX8000 şi FLEX10K. Circuitele FLEX6000 sunt cele mai ieftine din această familie şi au următoarele caracteristici: sunt de tip SRAM, alimentare şi I/O la 3.3V sau 5V şi sunt construite folosind trei straturi de metal. Circuitele FLEX10K oferă o sumă de porţi logice în intervalul 10000 - 250000, sunt alimentate de obicei la 2.5V, sunt construite în tehnologia de 0.22 microni, un consum mult redus în comparaţie cu tipurile precedente şi sunt mai rapide cu până la 30% faţă de FLEX6000.

FPGA-uri Altera FPGA-urile Cyclone de la Altera a fost produsă începând cu decembrie 2002 şi este una din cele mai importante familii de astfel de circuite produse de această companie. au la bază tehnologia SRAM conţin până la 20060 elemente logice maxim 288Kb de memorie RAM. Conform datelor oferite de Altera, aceste FPGA-uri au drept ţintă următoarele segmente ale pieţei de produse electronice: sisteme TV şi DVD rutere DSL reţele wireless controlul proceselor telematică imprimantele pentru calculatoare personale.

FPGA-uri Altera Din punctul de vedere al performanţelor, costului şi structurii interne, aceste FPGA-uri sunt primele de la Altera ce pot concura serios pe piaţă cu circuitele ASIC ca performanţă şi număr de porţi logice oferite. De asemeni, spre deosebire de alte firme producătoare, Altera oferă şi porţi de I/O de tip PLL (Phase Locked Loops) ce sunt foarte utile atunci când se doreşte sincronizarea unui circuit intern cu unul extern ce funcţionează la altă frecvenţă.

FPGA vs ASIC În mod curent se consideră că principalele avantaje ale circuitelor FPGA faţă de PLD-uri sunt: flexibilitatea sporită arie de silicon folosită cost şi putere consumată mai mici o importantă creştere a frecvenţei de funcţionare. În ceea ce priveşte avantajele faţă de ASIC-uri acestea sunt în general următoarele: Programabilitatea costuri NRE (non-recurring engineering) nule un timp scăzut de proiectare şi aducere a produsului pe piaţă.

disponibilitatea uneltelor de proiectare / testare FPGA vs ASIC Privind lucrurile din perspectivă economică, luarea unei decizii în ceea ce priveşte folosirea FPGA-urilor sau a ASIC-urilor într-un proiect oarecare, va cere proiectantului să răspundă unor întrebări referitoare la: costurile totale disponibilitatea uneltelor de proiectare / testare timpul de finalizare al proiectului.

FPGA vs ASIC Primul pas într-o astfel de analiză este desenarea unei diagrame cu circuitele ce trebuiesc integrate în proiectul final. Următorul pas este analiza aproximativă a volumului de producţie dorit. După aceea se vor identifica principalele obiective ale proiectului în ordinea importanţei acestora. Aceste obiective vor include costul şi aici putem numi principalele componente ale unui astfel de proiect: costul NRE „time to market” performanţa IP-urile necesare în proiectare.

FPGA vs ASIC Componenta „time to market” este de obicei situată în capul listei. Timpul de proiectare a unor circuite proiectate cu ASIC-uri ce folosesc un număr foarte mare de porţi logice poate ajunge câteodată la unul sau doi ani. !!!! O metodă din ce în ce mai des utilizată pentru a scurta perioada de „time to market” este: proiectarea şi testarea circuitelor folosind FPGA-uri şi apoi implementarea lor într-un circuit de tip ASIC.

FPGA vs ASIC Înainte însă de a alege soluţia implementării folosind ASIC-uri trebuie făcut un calcul care să decidă dacă costurile NRE de peste 250.000$ sunt acceptabile în cazul proiectului curent. Doar dacă răspunsul este da, şi de asemeni, dacă factorul „time to market” nu este foarte important ,atunci implementarea se va baza pe circuite ASIC. Dacă însă nu se va lua decizia folosirii ASIC-urilor, tehnologia FPGA este cea care se va impune. În acest caz, trebuie luate în considerare două aspecte: în primul rând, chiar dacă instrumentele software sunt în general gratuite, pentru proiecte ce folosesc un număr mare de porţi logice va trebui să fie plătită o licenţă în al doilea rând, vestea bună în cazul acestei abordări este costul NRE nul.

FPGA vs ASIC De asemeni, printre plusurile date de o implementare pe bază de FPGA sunt şi avantajele principale ale acestor circuite: circuite PLL integrate intrări/ieşiri programabile ce respectă aproape toate standardele actuale mai multe resurse interne de rutare circuite de înmulţire realizate în hardware memorie internă IP-uri publice pentru circuite matematice, de comunicare şi microprocesoare. Mai mult decât atât, orice greşeală găsită în perioada de testare poate fi îndreptată imediat şi fără nici un cost adiţional prin reprogramarea FPGA-ului în timp ce în cazul ASIC-urilor poate costa până la 500.000$ şi şase săptămâni întârziere pentru îndreptarea aceleiaşi greşeli.

Exemplu de modul Verilog

“Imaginea” FPGA-ului Spartan2 după programarea sa:

Zoom In:

Zoom In:

Zoom In:

Zoom In: