fpga cpu

В середине 70-х годов полупроводниковые бренды приступили к выпуску нового вида интегральных микросхем – ПЛИС. Новинка, представляющая собой перепрограммируемую логическую матрицу, сразу привлекла к себе самое пристальное внимание разработчиков электронных приложений, поскольку позволяла создавать сложнейшие проекты, минуя стадию длительной разработки специализированной микросхемы и её производства. Инженеры получили в свои руки мощную платформу, на базе которой можно конструировать собственные ИС на уровне «железа» с помощью программирования.

Логика ПЛИС не прошивается жёстко на стадии производства, а задаётся пользователем, который загружает написанную им программу с помощью конфигуратора. В результате получается цифровой модуль на основе эксклюзивной электрической схемы, связывающей логические блоки. Огромным достоинством ПЛИС является возможность перепрограммирования.

За полвека технология программируемых логических интегральных схем шагнула далеко вперёд:

1. В 1970 году профильному рынку были предложены первые перепрограммируемые матрицы.
2. Современные модели имеют в своём составе процессор arm fpga, объединяющий блоки обработки сигналов, логические элементы и модули коммутации.
3. Более совершенные CPLD не забывают записанную принципиальную схему после выключения питания, а держат её в энергонезависимой памяти, благодаря чему не нуждаются в новой прошивке для каждого очередного сеанса, а сразу готовы к работе после включения.

Новая терминология

В процессе совершенствования ПЛИС производительность и функциональность ИС этого типа резко возросли. Современные модели могут включать тысячи сумматоров, умножителей, встроенную память, большое число блоков приёмопередачи, процессор на кристалле. Это привело к тому, что прежнее название ( «вентильная матрица», FPGA) перестало отображать возросшую функциональность программируемых микросхем. Потребовалось как-то  синтезировать в названии ПЛИС и SoC (система на кристалле). Знаменитый разработчик ПЛИС, компания Альтера, некогда назвала модели нового поколения soc fpga, а фирма Xilinx и сегодня называет свои разработки этого класса «программируемыми SoC». 

SoC – технология, решившая главную проблему разработчика – необходимость включения в интегральную схему множества скоростных интерфейсов, нуждающихся в программной поддержке. А благодаря технологии SoC микросхема получила полнофункциональный центральный процессор, поддерживающий операционную систему, а также программируемую матрицу. Таким образом, вопрос высокоскоростного обмена информацией с внешними приборами успешно решён.

Поддержка центрального процессора

Поскольку конфигурируемая ИС является набором логических блоков и триггеров, функционирующих параллельно, на вентильной матрице можно осуществлять огромное количество параллельных вычислений, чем данный прибор отличается от центрального процессора, ограниченного числом ядер. Ввиду этого она может стать хорошим дополнением к CPU, если делегировать сопроцессору самые трудоёмкие вычислительные операции. К примеру, CPU может производить логическую обработку, а перепрограммируемая ИС рассчитывает контрольные суммы, производит перебор вариантов, занимается поиском совпадений и пр. И эта идея оказалась настолько продуктивной, что производители soc fpga Китая предлагают клиентам специализированный софт и готовые платы, позволяющие на практике реализовать параллельные вычисления.

Реализация принципиальной схемы программными методами

Чтобы конфигурировать логическое устройство для решения конкретных задач, разработчик должен:

• открыть проект;

• разработать принципиальную схему будущего устройства;

• написать программу;

• загрузить её в микросхему с помощью конфигуратора.

Зная внутреннее устройство FPGA, конфигуратор самостоятельно организует имеющиеся в распоряжении структуры в организованную схему, выполняющую поставленные задачи.

Нужно отметить, что хотя язык описания архитектуры fpga Verilog и называется программой, он таковой в строгом понимании не является, поскольку обычные программы предназначены для последовательного исполнения пунктов, а в данном случае программными методами конфигурируется «железо». То есть это не алгоритм, а инструмент воздействия на внутреннюю структуру ИС. Здесь осуществляется не «выполнение», а реализация.

Язык Verilog был разработан в конце 1983 года. Учитывая возросшую популярность конфигурируемых микросхем в среде разработчиков электронной аппаратуры, компания Cadence Design Systems передала Verilog в достояние общественности. Язык был стандартизован и получил название Verilog-95. В процессе использования язык обрёл несколько важных дополнений: в 2001 году была добавлена поддержка знаковых переменных, в 2005 году добавились новые синтаксические конструкции.