El terme FPGA significa Field Programmable Gate Array i és un tipus de xip lògic semiconductor que es pot programar per convertir-se en gairebé qualsevol tipus de sistema o circuit digital, similar als PLD. Els PLDS es limiten a centenars de portes, però els FPGA admeten milers de portes. La configuració de l’arquitectura FPGA s’especifica generalment mitjançant un llenguatge, és a dir, HDL (llenguatge de descripció de maquinari) que és similar al que s’utilitza per a un ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

Matrius de portes programables de camp

Els FPGA poden proporcionar una sèrie d'avantatges respecte a una tecnologia ASIC de funció fixa, com ara les cèl·lules estàndard. Normalment, els ASIC triguen mesos a fabricar-se i el cost d’ells serà de milers de dòlars per obtenir el dispositiu. Però, els FPGA es fabriquen en menys d’un segon, el cost oscil·larà entre uns quants dòlars i mil dòlars. La naturalesa flexible de l’FPGA té una àrea de cost significativa, un consum d’energia i un retard. En comparació amb una cèl·lula ASIC estàndard, un FPGA requereix de 20 a 35 vegades més àrea i el rendiment de la velocitat serà de 3 a 4 vegades més lent que l'ASIC. En aquest article es descriuen els conceptes bàsics de FPGA i el mòdul d'arquitectura FPGA que inclou blocs d'E / S, blocs lògics i matriu de commutació. Els FPGA són algunes de les noves àrees de tendència de VLSI. Per tant, s’utilitzen a Projectes basats en VLSI per a estudiants d’enginyeria electrònica .

“què és el rectificador controlat per silici? ”

Arquitectura FPGA

L’arquitectura general FPGA consta de tres tipus de mòduls. Són blocs d'E / S o coixinets, cables de matriu de commutació / interconnexió i blocs lògics configurables (CLB). L'arquitectura bàsica FPGA té matrius bidimensionals de blocs lògics amb un mitjà perquè un usuari pugui organitzar la interconnexió entre els blocs lògics. Les funcions d'un mòdul d'arquitectura FPGA es discuteixen a continuació:

CLB (Configurable Logic Block) inclou lògica digital, entrades, sortides. Implementa la lògica de l'usuari.
Les interconnexions proporcionen direcció entre els blocs lògics per implementar la lògica de l'usuari.
Depenent de la lògica, la matriu de commutació proporciona commutació entre interconnexions.
Coixinets d'E / S que s'utilitzen per comunicar-se amb diferents aplicacions a l'exterior.

Arquitectura FPGA

El bloc lògic conté MUX (multiplexor) , Xanclet D i LUT. LUT implementa les funcions lògiques combinacionals que s’utilitza el MUX per a la lògica de selecció, i el xanclet D emmagatzema la sortida del LUT

El bloc bàsic del FPGA és el generador de funcions basat en la taula de cerca. El nombre d'entrades al LUT varia de 3,4,6, i fins i tot de 8 després dels experiments. Ara, tenim LUT adaptatius que proporcionen dues sortides per LUT individual amb la implementació de dos generadors de funcions.

Bloc lògic FPGA

Xilinx Virtex-5 és el FPGA més popular, que conté una taula de cerca (LUT) que està connectada amb MUX i un xanclet com es va comentar anteriorment. L’FPGA actual consta d’uns centenars o milers de blocs lògics configurables. Per configurar els programes FPGA, Modelsim i Xilinx ISE s’utilitzen per generar un fitxer de flux de bits i per al desenvolupament.

Tipus de FPGA basats en aplicacions

Les matrius de portes programables de camp es classifiquen en tres tipus segons aplicacions com ara FPGA de gamma baixa, FPGA de gamma mitjana i FPGA de gamma alta.

“Generador de paritat de fins a 4 bits ”

Tipus de FPGA

FPGA de gamma baixa

Aquest tipus de FPGA estan dissenyats per a un baix consum d'energia, una densitat lògica baixa i una complexitat baixa per xip. Exemples de FPGA de gamma baixa són la família de ciclons d’Altera, la família espartana de Xilinx, la família de fusió de Microsemi i el Mach XO / ICE40 de semiconductor Lattice.

FPGA de gamma mitjana

Aquests tipus de FPGA són la solució òptima entre els FPGA de gamma baixa i alta i es desenvolupen com un equilibri entre el rendiment i el cost. Exemples de FPGA de gamma mitjana són Arria d’Altera, sèries Artix-7 / Kintex-7 de Xlinix, IGL002 de Microsemi i sèries ECP3 i ECP5 de semiconductor Lattice.

FPGA de gamma alta

Aquest tipus de FPGA es desenvolupen per obtenir densitat lògica i alt rendiment. Exemples de FPGA de gamma alta són una família Stratix d’Altera, la família Virtex de Xilinx, la família Speedster 22i d’Achronix i la família ProASIC3 de Microsemi.

“ànode comú vs segment de càtode comú 7 ”

Aplicacions de FPGA:

Els FPGA han guanyat un ràpid creixement durant l'última dècada perquè són útils per a una àmplia gamma d'aplicacions. L’aplicació específica d’un FPGA inclou processament de senyal digital, bioinformàtica, controladors de dispositius, ràdio definida per programari, lògica aleatòria, prototipatge ASIC, imatge mèdica, emulació de maquinari informàtic, integració de múltiples SPLD, reconeixement de veu , criptografia, filtratge i codificació de comunicació i molts més.

Normalment, es mantenen FPGA per a aplicacions verticals particulars on el volum de producció és petit. Per a aquestes aplicacions de baix volum, les principals empreses paguen costos de maquinari per unitat. Avui, la nova dinàmica de rendiment i el cost han ampliat la gamma d'aplicacions viables.

Aplicacions de FPGA

Algunes aplicacions FPGA més habituals són: aeroespacial i de defensa, electrònica mèdica, prototipatge ASIC, àudio, automoció, emissió, electrònica de consum, sistemes monetaris distribuïts, centre de dades, informàtica d’altes prestacions, industrial, mèdica, instruments científics, Sistemes de seguretat , Processament de vídeo i imatge, Comunicacions per cable, Comunicacions sense fils .

Idees de projectes basats en FPGA:

Aquí teniu una llista d’idees de projectes basades en FPGA per experimentar amb Verilog HDL i VHDL per a estudiants d’enginyeria de darrer any. El llista d’idees de projectes electrònics a continuació, basat en FPGA:

Idees de projectes basats en FPGA

Sistema d'inici de sessió de seguretat basat en FPGA
XIP d’audiòfons digitals basat en FPGA
Una arquitectura d’extracció de funcions d’imatge en temps real basada en FPGA
Disseny i implementació basada en FPGA de descodificadors Mp4
Basat en FPGA Sistema de control de senyals de trànsit Disseny i implementació
Generació de portadors d'alta freqüència basats en FPGA per a compressió de polsos mitjançant algorisme còrdic
Disseny i síntesi de blocs lògics programables amb porta Macro i LUT mixt
Disseny, implementació i estudi del processador de conjunts d’instruccions específiques d’aplicació per a una tasca DSP específica
Disseny i implementació de la unitat de sincronització per al receptor WCDMA Uplink
Implementació FPGA de l'algorisme FFT per a IEEE 802.16e (WiMAX mòbil)
Disseny basat en FPGA GPS (sistema de possessió global) -GSM (Global Systems for Mobile) Navigador mòbil
Vector espacial PWM (modulació de l'amplada de pols) per a convertidors de tres nivells: una implementació de LabVIEW
Disseny i implementació de plataforma multiprocessador programable per al processament incrustat d'alt rendiment
Ampliació i millora de l’optimització del processador d’alt rendiment per als FPGA
Desenvolupament i avaluació del control orientat al camp mitjançant LabVIEW FPGA
Síntesi directa de freqüència digital a FPGA
Disseny i programa de plataforma multiprocessador per al processament incrustat d'alt rendiment
Disseny i integració de l'exploració espacial de matrius de comptadors programables de camp mitjançant FPGA
Una implementació FPGA del telescopi Icecube per a la detecció de pistes de neutrins
Interpolació d'imatges de la visualització 3D en microprogramari
Arquitectura i implementació del sistema MIMO Sphere
Arquitectura FFT (Transformada de Fourier ràpida) eficaç en energia superescalar
Registre de desplaçament lineal (LFSR) Optimització de potència per BIST de baixa potència

Després d’haver passat el vostre valuós temps en aquest article, creiem que teniu una bona idea sobre l’arquitectura FPGA i SOBRE seleccionar el tema del projecte que trieu de les idees de projectes basades en FPGA i esperem que tingueu prou confiança per abordar qualsevol tema. de la llista. Per obtenir més informació i ajuda sobre aquests projectes, ens podeu escriure a la secció de comentaris que es mostra a continuació.

Crèdits fotogràfics: