Termín FPGA znamená Field Programmable Gate Array a je to jeden typ polovodičový logický čip které lze naprogramovat na téměř jakýkoli druh systému nebo digitálního obvodu, podobně jako PLD. PLDS jsou omezeny na stovky bran, ale FPGA podporuje tisíce bran. Konfigurace architektury FPGA se obecně specifikuje pomocí jazyka, tj. HDL (jazyk popisu hardwaru), který je podobný jazyku používanému pro ASIC (Application Specific Integrated Circuit).
Polní programovatelná hradlová pole
FPGA mohou poskytovat řadu výhod oproti technologii ASIC s pevnou funkcí, jako jsou standardní buňky. Výroba ASIC obvykle trvá měsíce a jejich získání bude stát tisíce dolarů. Ale FPGA jsou vyrobeny za méně než jednu sekundu, cena bude od několika do tisíců dolarů. Flexibilní povaha FPGA přichází s významnou nákladovou oblastí, spotřebou energie a zpožděním. Ve srovnání se standardním článkem ASIC, FPGA vyžaduje 20 až 35krát větší plochu a výkon rychlosti bude 3 až 4krát pomalejší než ASIC. Tento článek popisuje základy FPGA a modul architektury FPGA, který zahrnuje I / O pad, logické bloky a matici přepínačů. FPGA jsou některé z nových trendových oblastí VLSI. Proto se používají v Projekty založené na VLSI pro studenty elektronického inženýrství .
Architektura FPGA
Obecná architektura FPGA se skládá ze tří typů modulů. Jsou to I / O bloky nebo Pady, Switch Matrix / Propojovací dráty a Konfigurovatelné logické bloky (CLB). Základní architektura FPGA má dvourozměrná pole logických bloků s prostředkem pro uživatele, aby zajistil propojení mezi logickými bloky. Níže jsou popsány funkce modulu architektury FPGA:
- CLB (Configurable Logic Block) zahrnuje digitální logiku, vstupy, výstupy. Implementuje uživatelskou logiku.
- Propojení poskytují směr mezi logickými bloky k implementaci uživatelské logiky.
- V závislosti na logice poskytuje přepínací matice přepínání mezi propojeními.
- I / O Pady používané pro vnější svět ke komunikaci s různými aplikacemi.
Architektura FPGA
Logický blok obsahuje MUX (multiplexer) , D flip flop a LUT. LUT implementuje kombinační logické funkce, které se MUX používá pro logiku výběru, a flip flop D ukládá výstup LUT
Základním stavebním kamenem FPGA je generátor funkcí založený na vyhledávací tabulce. Počet vstupů do LUT se pohybuje od 3,4,6 a po experimentech dokonce 8. Nyní máme adaptivní LUT, které poskytují dva výstupy na jednu LUT s implementací dvou generátorů funkcí.
Logický blok FPGA
Xilinx Virtex-5 je nejpopulárnější FPGA, který obsahuje vyhledávací tabulku (LUT), která je spojena s MUX, a klopný obvod, jak je popsáno výše. Současné FPGA se skládá z přibližně stovek nebo tisíců konfigurovatelných logických bloků. Pro konfiguraci FPGA se používají software Modelsim a Xilinx ISE ke generování bitstreamového souboru a pro vývoj.
Typy FPGA založené na aplikacích
Polní programovatelná hradlová pole jsou rozdělena do tří typů na základě aplikací, jako jsou FPGA s nízkým výkonem, FPGA ve středním rozsahu a špičkové FPGA.
Typy FPGA
Nízkoprofilové FPGA
Tyto typy FPGA jsou navrženy pro nízkou spotřebu energie, nízkou logickou hustotu a nízkou složitost na čip. Příklady low-end FPGA jsou Cyclone rodina od Altera, Spartan rodina od Xilinx, fúzní rodina od Microsemi a Mach XO / ICE40 od Lattice polovodič.
Střední rozsah FPGA
Tyto typy FPGA jsou optimálním řešením mezi low-end a high-end FPGA a jsou vyvíjeny jako rovnováha mezi výkonem a cenou. Příkladem FPGA středního rozsahu jsou Arria od Altera, série Artix-7 / Kintex-7 od Xlinix, IGL002 od Microsemi a řady ECP3 a ECP5 od Lattice semiconductor.
Špičkové FPGA
Tyto typy FPGA jsou vyvinuty pro logickou hustotu a vysoký výkon. Příklady špičkových FPGA jsou rodina Stratix od Altera, rodina Virtex od Xilinx, rodina Speedster 22i od Achronix a rodina ProASIC3 od Microsemi.
Aplikace FPGA:
FPGA získaly za poslední desetiletí rychlý růst, protože jsou užitečné pro širokou škálu aplikací. Mezi konkrétní aplikace FPGA patří digitální zpracování signálu, bioinformatika, řadiče zařízení, softwarově definované rádio, náhodná logika, prototypování ASIC, lékařské zobrazování, emulace počítačového hardwaru, integrace více SPLD, hlasové rozpoznávání , kryptografie, filtrování a kódování komunikace a mnoho dalších.
FPGA se obvykle uchovávají pro konkrétní vertikální aplikace, kde je objem produkce malý. U těchto maloobjemových aplikací platí nejvyšší společnosti náklady na hardware na jednotku. Nová dynamika výkonu a náklady dnes rozšířily škálu životaschopných aplikací.
Aplikace FPGA
Mezi další běžné FPGA aplikace patří: Letectví a obrana, Lékařská elektronika, ASIC Prototyping, Audio, Automobilový průmysl, Broadcast, Spotřební elektronika, Distribuované peněžní systémy, Datové centrum, Vysoce výkonné výpočty, Průmyslové, Lékařské, Vědecké přístroje, Bezpečnostní systémy , Zpracování videa a obrazu, Kabelová komunikace, Bezdrátová komunikace .
Nápady na projekty založené na FPGA:
Zde je seznam návrhů projektů založených na FPGA pro experimentování s Verilog HDL a VHDL pro studenty posledního ročníku inženýrství. The seznam nápadů na elektronické projekty na základě FPGA je uveden níže:
Nápady na projekty založené na FPGA
- Bezpečnostní přihlašovací systém založený na FPGA
- Digitální čip pro naslouchání založený na FPGA
- Architektura extrakce obrazu v reálném čase založená na FPGA
- Návrh a implementace dekodérů Mp4 na základě FPGA
- Na základě FPGA Systém řízení dopravních signálů Návrh a implementace
- Generování vysokofrekvenčních nosičů na bázi FPGA pro pulzní kompresi pomocí Cordického algoritmu
- Programovatelný design a syntéza logického bloku s makro hradlem a smíšenou LUT
- Návrh, implementace a studie procesoru specifické pro konkrétní aplikaci DSP
- Návrh a implementace synchronizační jednotky pro WCDMA uplinkový přijímač
- FPGA implementace FFT algoritmu pro IEEE 802.16e (mobilní WiMAX)
- FPGA návrh na GPS (Global Possitioning System) -GSM (Global Systems for Mobiles) Mobile Navigator
- Vektor prostoru PWM (Pulse Width Modulation) pro tříúrovňové převaděče: implementace LabVIEW
- Návrh a implementace programovatelné platformy více procesorů pro vysoce výkonné vestavěné zpracování
- Vysoce výkonné rozšíření optimalizace procesoru a vylepšení pro FPGA
- Vývoj a hodnocení řízení zaměřeného na pole pomocí LabVIEW FPGA
- Přímá digitální frekvenční syntéza v FPGA
- Navrhněte a naprogramujte platformu více procesorů pro vysoce výkonné integrované zpracování
- Návrh a integrace průzkumu vesmíru polních programovatelných čítačových polí pomocí FPGA
- Implementace FPGA dalekohledu Icecube pro detekci stop neutrina
- Interpolace obrazu 3D displeje ve firmwaru
- Architektura a implementace systému MIMO Sphere
- Superskalární energeticky efektivní architektura FFT (rychlá Fourierova transformace)
- lineární zpětnovazební posuvný registr (LFSR) Optimalizace výkonu pro BIST s nízkým výkonem
Poté, co jste strávili svůj drahocenný čas v tomto článku, věříme, že jste získali dobrou představu o architektuře FPGA a O VÝBĚRU projektového tématu podle vašeho výběru z návrhů projektů založených na FPGA a doufáme, že máte dostatečnou důvěru k převzetí jakéhokoli tématu ze seznamu. Další podrobnosti a nápovědu k těmto projektům nám můžete napsat v sekci komentářů níže.
Fotografické kredity:
- Field Programmable Gate Arrays by robustní náhled
- Nápady na projekty založené na FPGA od rtcmagazine
