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  1 Introdução às FPGAs   Nícolas de Araújo Moreira Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Estrada do Fio, 6000 Eusébio  –   Brasil 1. TECNOLOGIA DE DISPOSITIVOS LÓGICOS PROGRAMÁVEIS E FPGAs 1.1 Tecnologias de Dispositivos Lógicos Programáveis  Denomina-se Dispositivo Lógico Programável, um circuito integrado cuja função lógica pode ser determinada pelo próprio usuário, podendo então, desempenhar funções diversas. Dentre as vantagens do uso deste tipo de arquitetura, além da flexibilidade, podemos citar a facilidade de mudanças no projeto, menor ciclo de projeto redução de custos quando comparados com circuitos integrados ASICs. A vantagem dos PLDs sobre os microcontroladores (que também são  programáveis),é a eliminação do ciclo de busca e execução de instruções não diretamente relacionadas com o processo no qual um microcontrolador estaria inserido, mas que seriam necessários para que a tarefa para o qual foi designado fosse executada, o que acarreta uma redução no tempo de resposta do sistema. Tal diferença se deve ao fato dos algoritmos serem implementados por hardware . O processo de transformar um algoritmo em arquitetura de hardware  é denominada síntese. Os PLDs podem ser classificados de acordo com o número de portas lógicas que o compõem, podendo ser:    SPLD: são dispositivos de baixa capacidade, que em geral apresentam menos de 600 portas lógicas, fabricados com tecnologia CMOS.    HCPLDs: são dispositivos de alta capacidade, que geralmente apresentam mais de 600 portas lógicas, com os mais atuais apresentando até 250.000 portas e englobam os CPLDs e FPGAs, todos fabricados com tecnologia CMOS. Os PLAs foram os primeiros Dispositivos Lógicos Programáveis Simples (SPLDs) desenvolvidos especificamente para a implementação de circuitos lógicos. Esses dispositivos constituem em dois níveis de portas lógicas: um plano de portas AND e outro plano de portas OR, ambos programáveis. Assim, os PLAs são adequados  para implementações lógicas na forma de soma de produtos, uma vez que as portas AND podem corresponder ao produto das entradas e as portas OR à soma dos produtos que saem do bloco de portas AND. Desta forma, os PLAs se apresentam muito versáteis  2 e com arquitetura muito simples (Figura 1.1). Entretanto, essa tecnologia apresenta elevado custo de produção e baixo desempenho em termos de velocidade de  processamento, uma vez que os planos lógicos são difíceis de serem fabricados e  provocam atrasos consideráveis de propagação dos sinais elétricos. Figura 1.1. Estrutura interna de um dispositivo lógico programável. Os pontos marcados com X representam fusíveis intactos.  O PAL (  Programmable Array Logic ) é um dispositivo semelhante ao PLA, entretanto, apenas a matriz de portas AND é programável, sendo o plano OR fixo. A tecnologia PLA, quando comparada com a PAL é mais difícil de implementar - e consequentemente, mais cara e apresenta performance inferior. Entretanto, devido ao  plano OR ser fixo, o PAL é menos flexível quando comparado ao PLA. O GAL foi um dispositivo desenvolvido pela Lattice Semiconductor. Trata-se de uma melhoria do PAL, apresentando funcionalidades não existentes no PAL e capaz de substituir diversos destes. O GAL apresenta as mesmas propriedades lógicas do PAL,  porém apresenta capacidade de programação e reprogramação. O GAL é bastante útil no estágio de prototipagem de projetos, onde muitas falhas de lógica podem ser corrigidas por meio da reprogramação. GALs são programados e reprogramados usando um programador PAL ou usando técnicas de programação em circuito. Os GALs da Lattice combinam tecnologia de porta flutuante apagável eletricamente e CMOS para obter um dispositivo de alta velocidade e baixo consumo de energia. Um dispositivo  3 similar denominado PEEL foi desenvolvido pela  International CMOS Technology (ICT) Corporation . Os Dispositivos Lógicos de Alta Capacidade (HCPLD) são divididos  basicamente em dois grupos: CPLD e FPGA. Os CPLDs foram inicialmente concebidos como Dispositivos Lógicos Apagáveis (EPLDs). Os CPLDs são dispositivos  programáveis e reprogramáveis pelo usuário, de baixo custo, alto desempenho e alta capacidade de integração. Suas principais vantagens em relação aos circuitos discretos e ASICs tradicionais são:    Programabilidade e Reprogramabilidade: permite que funções lógicas possam ser modificadas, simplificando o processo de prototipagem;    Tecnologia CMOS: menor consumo de energia elétrica;    Integração em larga escala: redução do tamanho da placa de circuito impresso, uma vez que permite a eliminação de diversos componentes discretos;    Simplificação e redução do tempo de desenvolvimento: simplifica e reduz o tempo de desenvolvimento da placa de circuito impresso, pois permite que o  projetista defina os sinais elétricos conforme desejado: entradas ou saídas podem ocupar o mesmo material do dispositivo;    Teste e depuração: as linguagens utilizadas na programação do dispositivo  permitem a simulação, teste e depuração rápida do protótipo. Abaixo é apresentado um diagrama que resume as famílias e tipos dos principais dispositivos lógicos programáveis existentes: Figura 1.2. Famílias de dispositivos lógicos programáveis e sua hierarquia.    4 1.2. FPGAs  A FPGA é um circuito integrado capaz de ser configurado por  software  e é utilizado para implementar circuitos digitais, como microprocessadores, microcontroladores, codificadores e decodificadores, processadores digitais de sinais, etc. Surgiu em 1985, com a empresa norte-americana Xilinx Inc., como um dispositivo  programável com capacidade de ser configurado para uma ampla variedade de aplicações selecionadas pelo usuário, como compressão e descompressão de áudio e vídeo, implementação de processadores, etc. Quando comparados com DSPs (Processadores Digitais de Sinais), as FPGAs apresentam custo menor, maior consumo de energia, frequência de operação inferior e capacidade para trabalhar em ponto flutuante inferior. As principais fabricantes de FPGA existentes são Xilinx - que produz a série Spartan (de baixo custo) e Virtex (de elevado desempenho), Altera  –   que produz as famílias Cyclone (de baixo custo) e Stratix (de elevado desempenho), Actel e Lattice. Figura 1.3. Exemplo de Altera Cyclone II.  A FPGA é um HCPLD que suporta a implementação de circuitos lógicos relativamente grandes. Consiste em um grande arranjo de células lógicas ou blocos lógicos configuráveis contidos em um único circuito integrado. Cada célula contém uma capacidade computacional para implementar funções lógicas e realizar roteamento para comunicação entre elas. De forma simplificada, a estrutura interna de um FPGA é constituída de blocos lógicos, denominados de CLBs, blocos de entrada e saída, deniminados IOBs e chaves de interconexão (Figura 1.4) ao invés de planos de portas lógicas. Os blocos lógicos formam uma matriz bidimensional, e as chaves de interconexão são organizadas como canais de roteamento horizontal e vertical entre as linhas e colunas de blocos lógicos. Esses canais de roteamento possuem chaves de interligação programáveis que permitem conectar os blocos lógicos de maneira conveniente, de acordo com a necessiade.
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