Conceptos básicos de la arquitectura y las aplicaciones de FPGA

El término FPGA significa Field Programmable Gate Array y es un tipo de chip lógico semiconductor que se puede programar para convertirse en casi cualquier tipo de circuito o sistema digital, similar a los PLD. Los PLDS están limitados a cientos de puertas, pero los FPGA admiten miles de puertas. La configuración de la arquitectura FPGA generalmente se especifica utilizando un lenguaje, a saber, el HDL (lenguaje de descripción de hardware) que es similar al utilizado para un ASIC (Circuito integrado específico de la aplicación).

Los FPGA pueden ofrecer una serie de ventajas sobre la tecnología ASIC de función fija, como las celdas estándar. Normalmente, los ASIC tardan meses en fabricarse y costará varios miles de dólares obtener el dispositivo. Pero, los FPGA se fabrican en menos de un segundo, el costo será de unos pocos dólares a mil dólares. La naturaleza flexible de la FPGA conduce a una gran área de costos, consumo de energía y demora. un FPGA requiere de 20 a 35 veces más área y el rendimiento de la velocidad será de 3 a 4 veces más lento que el de ASIC. Este artículo describe los conceptos básicos de FPGA y el módulo de arquitectura de FPGA que incluye panel de E/S, bloques lógicos y matriz de conmutación. Los FPGA son una de las nuevas áreas de tendencia en VLSI. Por lo tanto, estos se utilizan en proyectos basados ​​en VLSI para estudiantes de ingeniería electrónica.

Arquitectura FPGA

La arquitectura general de la FPGA consta de tres tipos de módulos. Estos incluyen bloques o pads de E/S, estructuras de conmutación/cables de interconexión y bloques lógicos configurables (CLB). La arquitectura básica de FPGA tiene matrices bidimensionales de bloques lógicos con un medio para que un usuario organice la interconexión entre bloques lógicos. Las funciones de un módulo de arquitectura FPGA se describen a continuación:

• CLB (Bloque Lógico Configurable) incluye lógica digital, entradas y salidas. Implementa la lógica de usuario.
• Las interconexiones proporcionan dirección entre bloques lógicos para implementar la lógica del usuario.
• De acuerdo con la lógica, el switch fabric permite cambiar entre las interconexiones.
• Pads de E/S utilizados para que el mundo exterior se comunique con diferentes aplicaciones.

El bloque lógico contiene el MUX (multiplexor), el flip-flop D y la LUT. LUT implementa funciones de lógica combinatoria; el MUX se usa para la lógica de selección y el flip-flop D almacena la salida de la LUT

El componente básico de la FPGA es el generador de funciones basado en tablas de búsqueda. El número de entradas en la LUT varía de 3, 4, 6 e incluso 8 después de los experimentos. Ahora tenemos LUT adaptables que proporcionan dos salidas por LUT individual con la implementación de dos generadores de funciones.

Xilinx Virtex-5 es el FPGA más popular, que contiene una tabla de búsqueda (LUT) que está conectada al MUX y un flip-flop como se muestra arriba. El FPGA actual consta de aproximadamente cientos o miles de bloques lógicos configurables. Para la configuración de FPGA, el software Modelsim y Xilinx ISE se utilizan para generar un archivo de flujo de bits y para el desarrollo.

Tipos de FPGA basados ​​en aplicaciones

Los arreglos de puertas programables en campo se clasifican en tres tipos según las aplicaciones, como FPGA de gama baja, FPGA de gama media y FPGA de gama alta.

FPGA de gama baja

Estos tipos de FPGA están diseñados para un bajo consumo de energía, baja densidad lógica y baja complejidad por chip. Ejemplos de FPGA de gama baja son la familia Cyclone de Altera, la familia Spartan de Xilinx, la familia de fusión de Microsemi y Mach XO/ICE40 de Lattice semiconductor.

FPGA de gama media

Estos tipos de FPGA son la solución óptima entre los FPGA de gama baja y alta y se desarrollan como un equilibrio entre rendimiento y costo. Ejemplos de FPGA de gama media son Arria de Altera, las series Artix-7/Kintex-7 de Xlinix, IGL002 de Microsemi y las series ECP3 y ECP5 de Lattice semiconductor.

FPGA de gama alta

Estos tipos de FPGA están desarrollados para una alta densidad lógica y rendimiento. Ejemplos de FPGA de gama alta son la familia Stratix de Altera, la familia Virtex de Xilinx, la familia Speedster 22i de Achronix y la familia ProASIC3 de Microsemi.

Aplicaciones FPGA:

Los FPGA han crecido rápidamente durante la última década, ya que son útiles para una amplia gama de aplicaciones. La aplicación específica de un FPGA incluye procesamiento de señales digitales, bioinformática, controladores de dispositivos, radio definida por software, lógica aleatoria, creación de prototipos ASIC, imágenes médicas, emulación de hardware informático, integración de varios SPLD, reconocimiento de voz, criptografía, filtrado y cifrado de comunicaciones y muchos más. .

Por lo general, los FPGA se reservan para aplicaciones verticales particulares donde el volumen de producción es bajo. Para estas aplicaciones de bajo volumen, las mejores empresas pagan en costos de hardware por unidad. Hoy, las nuevas dinámicas de rendimiento y costo han ampliado la gama de aplicaciones viables.

Algunas aplicaciones comunes de FPGA son: aeroespacial y defensa, electrónica médica, prototipos ASIC, audio, automotriz, transmisión, electrónica de consumo, sistemas de dinero distribuido, centros de datos, computación de alto rendimiento, industria, instrumentos médicos y científicos, sistemas de seguridad, video e imagen. Procesamiento, comunicaciones alámbricas, comunicaciones inalámbricas.

Ideas para proyectos basados ​​en FPGA:

Aquí hay una lista de ideas de proyectos basados ​​en FPGA para experimentar con Verilog HDL y VHDL para estudiantes de ingeniería de último año. La lista de ideas de proyectos electrónicos basados ​​en FPGA se proporciona a continuación:

1. Sistema de conexión de seguridad basado en FPGA
2. Chip de audífono digital basado en FPGA
3. Una arquitectura de extracción de características de imagen en tiempo real basada en FPGA
4. Diseño e implementación basados ​​en FPGA de decodificadores MP4
5. Diseño e implementación de un sistema de control de semáforos basado en FPGA
6. Generación de portadoras de alta frecuencia basada en FPGA para compresión de pulsos mediante el algoritmo Cordic
7. Diseño y síntesis de bloques lógicos programables con macro puerta y LUT mixta
8. Diseño, implementación y estudio de un procesador de conjunto de instrucciones específico de la aplicación para una tarea DSP específica
9. Diseño e Implementación de Unidad de Sincronización para Receptor Uplink WCDMA
10. Implementación FPGA del algoritmo FFT para IEEE 802.16e (WiMAX móvil)
11. Diseño basado en FPGA del navegador móvil GPS (Global Positioning System)-GSM (Global Systems for Mobiles)
12. PWM de vector espacial (modulación de ancho de pulso) para convertidores de tres niveles: una implementación de LabVIEW
13. Diseño e implementación de una plataforma multiprocesador programable para procesamiento embebido de alto rendimiento
14. Optimización de procesador de alto rendimiento ampliada y mejorada para FPGA
15. Desarrollando y Evaluando Controles Orientados al Campo Usando LabVIEW FPGA
16. Síntesis digital directa de frecuencias en FPGA
17. Diseñar y programar una plataforma multiprocesador para procesamiento integrado de alto rendimiento
18. Diseño de exploración espacial e integración de arreglos de contadores programables en campo usando FPGA
19. Una implementación FPGA del telescopio Icecube para detectar huellas de neutrinos
20. Interpolación de fotogramas de la visualización 3D en el firmware
21. Arquitectura e implementación del sistema MIMO Sphere
22. Arquitectura FFT (Fast Fourier Transform) con eficiencia energética superescalar
23. Registro de desplazamiento de retroalimentación lineal (LFSR) Optimización de potencia para BIST de baja potencia

Después de dedicar su valioso tiempo a este artículo, creemos que tiene una buena idea sobre la arquitectura FPGA y la selección del tema de su proyecto deseado de las ideas de proyectos basadas en FPGA, y esperamos que tenga la confianza suficiente para abordar cualquier tema. de la lista. Para obtener más detalles y ayuda sobre estos proyectos, puede escribirnos en la sección de comentarios a continuación.

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