Микросхемы FPGA

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) – универсальные по интеграции с различным оборудованием и под самые сложные и уникальные задачи пользователя, микросхемы. Они специально разработаны для того, чтобы с помощью программатора получить уникальную версию процессора, созданного практически руками самого пользователя. Такой необычный подход к производству микросхем мотивирован желанием подстроиться под требования заказчиков – разработчиков систем управления различного применения, в том числе с узкопрофильными задачами. Одна из самых распространенных версий современных ПЛИС – FPGA процессоры. Именно о них и поговорим. Но сначала несколько общих замечаний о преимуществах программируемых логических микросхем.

Особенности ПЛИС и контроллеров, преимущества ПЛИС-конструкций

Основное отличие от микроконтроллеров, которые выполняют те же задачи, что и интегральные микросхемы с программируемым содержанием – возможность тонкой настройки архитектуры ПЛИС. Микроконтроллеры наоборот – «жестко» привязаны только к одной схеме работы.

Еще одно важное отличие – ПЛИС может выполнять сразу несколько задач, обрабатывать несколько направлений данных. А микроконтроллер может действовать только последовательно – шаг за шагом.

FPGA: характерные отличия

FPGA-конструкция – это улучшенная версия базовых моделей ПЛИС – микропроцессоров. FPGA – программируемые пользователем вентильные матрицы. Как понятно из названия их принцип действия характерен для любой версии процессоров ПЛИС-версии. «Сердце» FPGA – LUT или функциональный генератор. Он выполняет роль оперативного запоминающего устройства. Как правило, генератор может обработать булевую функцию от 4-6 аргументов.

Всю конструкцию логических элементов FPGA или ячеек, составляют:

• функциональные генераторы;
• мультиплексоры;
• триггеры.

Сама конструкция FPGA состоит из ячеек и поля, которое осуществляет функцию отступа между ячейками. Еще одна важнейшая часть FPGA – блок ввода-вывода, который обозначают аббревиатурой Input-Output Blok (IOB).

Конструкция FPGA состоит из периферийных, но не менее важных по своей функциональности, компонентов:

• шина для периферии микропроцессорной передачи сигналов (ввод-вывод);
• didicated-входы и линии связи для синхронизации или установки и сброса триггеров;
• источники создания синхронизированных сигналов – генераторы;
• выводы для конфигурирования;
• схемы для обработки данных через интерфейс JTAC.

Языки описания FPGA: инновационная версия проектирования для FPGA

Для того чтобы спроектировать, то есть фактически из «сырой» матрицы FPGA создать «живую» версию микропроцессора, потребуется точное описание будущего ПЛИС. Но новые версии языков описания выполняют и множество других, кроме описательных функций:

• описывают структуру;

• характеризуют «поведение», то есть активность устройства;

• помогает проводить проверку результатов моделирования;

• моделирует (виртуально) подключения других объектов для коммуникации;

• предлагает многослойность и разнообразие отображение результатов проектирования.

Среди популярных версий языков описания – VHDL FPGA, Verilog а для программирования на системном уровне – SystemVerilog, C/C++.

Конфигурирование внешней памяти: увеличиваем мощность и эффективность

ПЛИС не всегда хватает внутренней памяти для успешной реализации профильных задач во время проектирования. Чтобы исползать ресурс микропроцессора, используют интерфейсы для обмена данными с самыми популярными видами памяти:

• SDRAM FPGA;
• DDR3/4;
• версии LPDD;
• RLDRAM разных поколений;
• QRD SRAM.

Универсальность интерфейсов

Ускорить обработку сигналов и создать эффективное взаимодействие с другими устройствами, помогают встроенные в FPGA ЦАП и АЦП устройства, в частности мультиплексоры или блоки цифровой обработки входящих сигналов.

Применение FPGA

Универсальность и многозадачность структуры микропроцессора с программируемыми вентильными матрицами предлагает большой ассортимент функциональности и направления использования:

• управление токами, которые подаются на микросхему;
• управление конфигурированием FPGA;
• создание контроллеров на базе FPGA со сложной конфигурацией и высоким быстродействием;
• создание электронной системы управления средней и малой сложности;
• работы процессора на спаренном, параллельном потоке в специализированных системах обработки цифровых сигналов;
• для создания уникальной системы на одном процессоре;
• для проектирования и реализации в физическом объекте макета микросхем ASIC.

В большинстве случаев, гибкость и точность настройки FPGA-процессоров сокращает время и ресурсы на подготовку прототипов и реализации текущих, уникальных задач.