Ο όρος FPGA σημαίνει Field Programmable Gate Array και, είναι ένας τύπος λογικό τσιπ ημιαγωγών το οποίο μπορεί να προγραμματιστεί για να γίνει σχεδόν οποιοδήποτε είδος συστήματος ή ψηφιακού κυκλώματος, παρόμοιο με τα PLD. Το PLDS περιορίζεται σε εκατοντάδες πύλες, αλλά τα FPGA υποστηρίζουν χιλιάδες πύλες. Η διαμόρφωση της αρχιτεκτονικής FPGA καθορίζεται γενικά χρησιμοποιώντας μια γλώσσα, δηλαδή, HDL (γλώσσα περιγραφής υλικού) που είναι παρόμοια με αυτήν που χρησιμοποιείται για ένα ASIC (Εφαρμογή συγκεκριμένου ολοκληρωμένου κυκλώματος).
Προγραμματιζόμενες συστοιχίες πυλών πεδίου
Τα FPGA μπορούν να προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με μια τεχνολογία ASIC σταθερής λειτουργίας όπως τα τυπικά κελιά. Κανονικά, οι ASIC χρειάζονται μήνες για την κατασκευή και το κόστος τους θα είναι χιλιάδες δολάρια για την απόκτηση της συσκευής. Όμως, τα FPGA κατασκευάζονται σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, το κόστος θα είναι από μερικά δολάρια έως χίλια δολάρια. Η ευέλικτη φύση του FPGA έρχεται σε μια σημαντική περιοχή κόστους, κατανάλωση ισχύος και καθυστέρηση. Σε σύγκριση με ένα τυπικό κελί ASIC, Ένα FPGA απαιτεί 20 έως 35 φορές περισσότερη περιοχή και η απόδοση της ταχύτητας θα είναι 3 έως 4 φορές πιο αργή από την ASIC. Αυτό το άρθρο περιγράφει τα βασικά του FFP και τη λειτουργική μονάδα αρχιτεκτονικής FPGA που περιλαμβάνει I / O pad, logic blocks και switch matrix. Τα FPGA είναι μερικές από τις νέες τάσεις του VLSI. Επομένως, χρησιμοποιούνται σε Έργα βασισμένα στο VLSI για φοιτητές ηλεκτρονικής μηχανικής .
Αρχιτεκτονική FPGA
Η γενική αρχιτεκτονική FPGA αποτελείται από τρεις τύπους ενοτήτων. Είναι μπλοκ I / O ή Pads, Switch Matrix / Interconnection Wires και Configable logic blocks (CLB). Η βασική αρχιτεκτονική FPGA έχει δύο διαστάσεις συστοιχίες λογικών μπλοκ με ένα μέσο για τον χρήστη να οργανώσει τη διασύνδεση μεταξύ των λογικών μπλοκ. Οι λειτουργίες μιας λειτουργικής μονάδας FPGA συζητούνται παρακάτω:
- Το CLB (Configable Logic Block) περιλαμβάνει ψηφιακή λογική, εισόδους και εξόδους. Υλοποιεί τη λογική του χρήστη.
- Οι διασυνδέσεις παρέχουν κατεύθυνση μεταξύ των μπλοκ λογικής για την εφαρμογή της λογικής του χρήστη.
- Ανάλογα με τη λογική, ο πίνακας διακοπτών παρέχει εναλλαγή μεταξύ διασυνδέσεων.
- Τα I / O Pads χρησιμοποιούνται για τον εξωτερικό κόσμο για επικοινωνία με διαφορετικές εφαρμογές.
Αρχιτεκτονική FPGA
Το λογικό μπλοκ περιέχει MUX (Πολυπλέκτης) , D flip flop και LUT. Το LUT εφαρμόζει τις συνδυαστικές λογικές συναρτήσεις που το MUX χρησιμοποιείται για λογική επιλογής και το D flip flop αποθηκεύει την έξοδο του LUT
Το βασικό δομικό στοιχείο του FPGA είναι η γεννήτρια λειτουργιών με βάση το Look Up Table. Ο αριθμός των εισόδων στο LUT κυμαίνεται από 3,4,6, ακόμη και 8 μετά τα πειράματα. Τώρα, έχουμε προσαρμοστικά LUT που παρέχουν δύο εξόδους ανά μεμονωμένο LUT με την εφαρμογή δύο γεννητριών λειτουργιών.
Μπλοκ λογικής FPGA
Το Xilinx Virtex-5 είναι το πιο δημοφιλές FPGA, που περιέχει έναν πίνακα αναζήτησης (LUT) που συνδέεται με το MUX και ένα flip flop όπως συζητήθηκε παραπάνω. Το παρόν FPGA αποτελείται από περίπου εκατοντάδες ή χιλιάδες διαμορφώσιμα μπλοκ λογικής. Για τη διαμόρφωση του FPGA, τα λογισμικά Modelsim και Xilinx ISE χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ενός αρχείου bitstream και για ανάπτυξη.
Τύποι FPGA βάσει εφαρμογών
Το Field Programmable Gate Arrays κατατάσσεται σε τρεις τύπους με βάση εφαρμογές όπως FPGA χαμηλού επιπέδου, FPGA μεσαίου εύρους και FPGA υψηλού επιπέδου.
Τύποι FPGA
FPGA χαμηλού επιπέδου
Αυτοί οι τύποι FPGA έχουν σχεδιαστεί για χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλή πυκνότητα λογικής και χαμηλή πολυπλοκότητα ανά τσιπ. Παραδείγματα FPGA χαμηλού επιπέδου είναι η οικογένεια κυκλώνων από την Altera, η οικογένεια Spartan από το Xilinx, η οικογένεια σύντηξης από την Microsemi και η Mach XO / ICE40 από τον ημιαγωγό Lattice.
FPGA μεσαίου εύρους
Αυτοί οι τύποι FPGA είναι η βέλτιστη λύση μεταξύ των FPGA χαμηλού και υψηλού επιπέδου και αναπτύσσονται ως ισορροπία μεταξύ της απόδοσης και του κόστους. Παραδείγματα FPGA μεσαίου εύρους είναι οι Arria από Altera, Artix-7 / Kintex-7 series από Xlinix, IGL002 από τη Microsemi και ECP3 και ECP5 από τον ημιαγωγό Lattice.
FPGA υψηλού επιπέδου
Αυτοί οι τύποι FPGA έχουν αναπτυχθεί για λογική πυκνότητα και υψηλή απόδοση. Παραδείγματα FPGA υψηλού επιπέδου είναι μια οικογένεια Stratix από την Altera, η οικογένεια Virtex από την Xilinx, η οικογένεια Speedster 22i από την Achronix και η οικογένεια ProASIC3 από την Microsemi.
Εφαρμογές του FPGA:
Τα FPGA έχουν σημειώσει ταχεία ανάπτυξη την τελευταία δεκαετία, επειδή είναι χρήσιμα για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Η ειδική εφαρμογή ενός FPGA περιλαμβάνει επεξεργασία ψηφιακού σήματος, βιοπληροφορική, ελεγκτές συσκευών, ραδιόφωνο καθορισμένο με λογισμικό, τυχαία λογική, πρωτότυπα ASIC, ιατρική απεικόνιση, προσομοίωση υλικού υπολογιστή, ολοκλήρωση πολλαπλών SPLD, αναγνώριση φωνής , κρυπτογραφία, φιλτράρισμα και κωδικοποίηση επικοινωνίας και πολλά άλλα.
Συνήθως, τα FPGA διατηρούνται για συγκεκριμένες κάθετες εφαρμογές όπου ο όγκος παραγωγής είναι μικρός. Για αυτές τις εφαρμογές χαμηλού όγκου, οι κορυφαίες εταιρείες πληρώνουν το κόστος υλικού ανά μονάδα. Σήμερα, η νέα δυναμική απόδοσης και το κόστος έχουν επεκτείνει το εύρος των βιώσιμων εφαρμογών.
Εφαρμογές του FPGA
Μερικές πιο κοινές εφαρμογές FPGA είναι: Αεροδιαστημική και Άμυνα, Ιατρικά Ηλεκτρονικά, Πρωτότυπα ASIC, Ήχος, Αυτοκίνητο, Εκπομπές, Καταναλωτικά Ηλεκτρονικά, Κατανεμημένα Νομισματικά Συστήματα, Κέντρο Δεδομένων, Υπολογισμός Υψηλής Απόδοσης, Βιομηχανικά, Ιατρικά, Επιστημονικά Όργανα Συστήματα ασφαλείας , Επεξεργασία βίντεο & εικόνας, Ενσύρματες επικοινωνίες, Ασύρματες επικοινωνίες .
Ιδέες έργου βάσει FPGA:
Ακολουθεί μια λίστα με ιδέες έργων που βασίζονται σε FPGA για πειραματισμούς με Verilog HDL και VHDL για φοιτητές της τελικής χρονιάς. ο κατάλογος ηλεκτρονικών ιδεών έργων βασίζεται στο FPGA δίνεται παρακάτω:
Ιδέες έργου βάσει FPGA
- Σύστημα σύνδεσης ασφαλείας βασισμένο σε FPGA
- Ψηφιακό CHIP AID με βάση την FPGA
- Αρχιτεκτονική εξαγωγής χαρακτηριστικών εικόνας σε πραγματικό χρόνο βάσει FPGA
- Σχεδιασμός & υλοποίηση FPGA με βάση αποκωδικοποιητές Mp4
- Βασισμένο σε FPGA Σύστημα ελέγχου σημάτων κυκλοφορίας Σχεδιασμός και υλοποίηση
- Παραγωγή φορέων υψηλής συχνότητας βασισμένης σε FPGA για συμπίεση σφυγμού χρησιμοποιώντας κορδονικό αλγόριθμο
- Προγραμματιζόμενη λογική σχεδίαση και σύνθεση μπλοκ με πύλη μακροεντολών και Mixed LUT
- Σχεδιασμός, Εφαρμογή και Μελέτη Επεξεργαστή Σετ Ειδικής Οδηγίας Εφαρμογής για μια Ειδική Εργασία DSP
- Σχεδιασμός και υλοποίηση μονάδας συγχρονισμού για δέκτη Uplink WCDMA
- Εφαρμογή FPGA του αλγόριθμου FFT για IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)
- Σχεδιασμός FPGA με βάση το GPS (Παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού -GSM (Παγκόσμια Συστήματα για Κινητά) Mobile Navigator
- Διάνυσμα χώρο PWM (Διαμόρφωση πλάτους παλμού) για μετατροπείς τριών επιπέδων: μια εφαρμογή LabVIEW
- Σχεδιασμός και υλοποίηση προγραμματιζόμενης πλατφόρμας πολλαπλών επεξεργαστών για ενσωματωμένη επεξεργασία υψηλής απόδοσης
- Επέκταση βελτιστοποίησης επεξεργαστή υψηλής απόδοσης και βελτίωση για FPGA
- Ανάπτυξη και αξιολόγηση ελέγχου προσανατολισμένη στο πεδίο χρησιμοποιώντας το LabVIEW FPGA
- Σύνθεση άμεσης ψηφιακής συχνότητας σε FPGA
- Σχεδίαση και πρόγραμμα πλατφόρμας πολλαπλών επεξεργαστών για ενσωματωμένη επεξεργασία υψηλής απόδοσης
- Σχεδιασμός και ολοκλήρωση της εξερεύνησης του διαστήματος των προγραμματιζόμενων πεδίων μετρητών πεδίου με χρήση FPGA
- Μια εφαρμογή FPGA του τηλεσκοπίου Icecube για ανίχνευση τροχιάς Neutrino
- Παρεμβολή εικόνας 3D Display στο υλικολογισμικό
- Αρχιτεκτονική και υλοποίηση συστήματος MIMO Sphere
- Αρχιτεκτονική Superscalar Power Efficient FFT (Fast Fourier Transform)
- γραμμική αλλαγή βάρδιου Register (LFSR) Βελτιστοποίηση ισχύος για χαμηλή ισχύ BIST
Αφού αφιερώσετε τον πολύτιμο χρόνο σας σε αυτό το άρθρο, πιστεύουμε ότι έχετε μια καλή ιδέα για την αρχιτεκτονική FPGA και για την επιλογή του θέματος του έργου της επιλογής σας από τις ιδέες του έργου με βάση το FPGA και ελπίζουμε ότι έχετε αρκετή αυτοπεποίθηση για να αναλάβετε οποιοδήποτε θέμα από τη λίστα. Για περισσότερες λεπτομέρειες και βοήθεια σχετικά με αυτά τα έργα, μπορείτε να μας γράψετε στην ενότητα σχολίων που δίνεται παρακάτω.
Φωτογραφικές μονάδες:
- Προγραμματιζόμενες συστοιχίες πυλών πεδίου από Ruggedpcreview
- Ιδέες έργου βάσει FPGA από περιοδικό rtcm
