Programozható logikai áramkör

Programozható logikai áramkör Kép az Infoboxban. Xilinx FPGA (Spartan XC3S400 modell) 400 000 ajtóval.
típus Integrált logikai áramkör
Felfedezés
Felfedező Xilinx

A programozható logikai áramkör vagy a programozható logikai hálózat olyan logikai integrált áramkör , amelyet a gyártás után át lehet programozni .

Számos elemi logikai cellából és szabadon összekapcsolható logikai billenőből áll (pontosan az alkatrész átkonfigurálása vagy programozása határozza meg a logikai kapuk közötti kapcsolatokat).

Az ilyen alkatrészekre vonatkozó első szabadalmak az 1980-as és 1990-es évekről származnak, de az 1990-es évek elején terjedtek el .

Megnevezés

Ne feledje, hogy helytelen lenne szoftveres értelemben programozásról beszélni (ellentétben a mikroprocesszorral, nem hajt végre egyetlen kódsort sem). Itt jobb lenne újraprogramozás helyett „újrakonfigurálásról” beszélni (módosítjuk a kapcsolatokat vagy az összetevő viselkedését, összekapcsoljuk egymással a logikai kapukat stb. ). A programozni kívánt ige azonban a leggyakoribb, de a személyre szabás értelmében. Ezek valóban átkonfigurálható és módosítható logikai hálózatok .

Ezt a fajta elektronikus alkatrészt gyakran használják az angol rövidítések, beleértve:

Noha alapvetően szinonimák, ezek a kifejezések általában nem cserélhetők fel a gyártók kereskedelmi szókincsében: az FPGA inkább RAM- technológiával rendelkező alkatrészeket, EPLD-alkatrészeket FLASH-technológiával, PAL-alkatrészeket biztosíték-technológiával jelöl (lásd a technológiai folyamatokat ).

Hardver architektúra

A programozható logikai hálózatok számos elemi logikai cellából álló áramkörök , amelyek szabadon összeállíthatók.

Ezeket a programozással véglegesen vagy visszafordíthatóan kapcsolják össze a kívánt digitális funkció (k) elérése érdekében. Előnye, hogy ugyanaz a chip sokféle elektronikus rendszerben használható.

Néhány modell tartalmazhat általános célú memóriát ,  vezetékes " DSP " blokkokat  vagy fáziszárt hurkokat is az óra előállításához .

FPGA

A legtöbb modern nagy FPGA az SRAM cellákon alapul, mind az áramköri útválasztáshoz, mind az összekapcsolandó logikai blokkokhoz.

A logikai blokk általában egy keresőtáblából ( LUT vagy keresőtábla ) és egy flip-flopból (angolul flip-flop ) áll. A LUT-ot olyan logikai egyenletek megvalósítására használják, amelyek általában 4-6 bemenettel és egy kimenettel rendelkeznek. Ez azonban kicsi memóriának, multiplexernek vagy shift regiszternek tekinthető . A regisztert állapot (szekvenciális gép) tárolására vagy jel ( csővezeték ) szinkronizálására használják .

A chipen nagy számban (néhány ezertől néhány millióig 2007-ben) lévő logikai blokkokat konfigurálható útválasztási mátrix kapcsolja össze. Ez lehetővé teszi az alkatrész tetszés szerinti újrakonfigurálását, de fontos helyet foglal el a szilíciumon, és igazolja az FPGA-alkatrészek magas költségeit. A topológiát "Manhattan" -nek hívják, utalva New York ezen kerületéhez merőleges utcákra .

Az aktuális sűrűség már nem teszi lehetővé a kézi útválasztást, ezért ez egy automatikus elhelyezés-útválasztó eszköz, amely megfelel a tervező által kívánt logikai diagramnak és a chip hardveres erőforrásainak. Mivel a terjedési idõk a logikai cellák közötti kapcsolatok hosszától függenek, és hogy az elhelyezõ-útválasztók optimalizálási algoritmusai nem meghatározóak, az FPGA-ban elért teljesítmények (maximális frekvencia) az egyik tervtõl az utolsóig változnak. . Másrészt az erőforrások felhasználása nagyon jó, és a logikai blokkok 90% -nál nagyobb kihasználtsága lehetséges.

Mivel a konfigurációt (útválasztás és LUT) volatilis memóriapontok végzik, el kell menteni az FPGA kialakítását egy külső, nem felejtő memóriába, általában soros Flash memóriába , „ JTAG  ” kompatibilisé  . Egyes gyártókat azonban megkülönböztetnek az EEPROM cellák használatával a konfiguráláshoz, kiküszöbölve a külső memória szükségességét, vagy az olvadásgátló konfigurációval (a nagyfeszültségű programozás dielektromos "pattintást" eredményez, kontaktust hoz létre). Ez a legújabb technológia azonban nem konfigurálható újra.

Bizonyos összetevők bizonyos funkciók:

CPLD

A régebbi PAL-ok, GAL-ok, CPLD-k és EPLD-k logikai "makrocellákat" használnak az AND és OR kapuk kombinatorikus tömbjéből álló logikai egyenletek megvalósításához. Flip - flop módok csak I / O blokkok. Egy komponens néhány tucattól néhány száz makrocelláig terjed.

Mivel az útválasztás rögzített, a terjedési idők korlátozottak, és a tervezéstől függetlenül magas működési frekvenciát tesznek lehetővé. Másrészt az erőforrások felhasználása nem optimális (bármely logikai egyenletben nem használt kifejezés egyenértékű az elveszített kapukkal), a felhasználási arány körülbelül 25%.

A CPLD-k azért különböznek a többi PLD-től, mert több PLD-komponens megfelelőjét tartalmazzák, összekapcsolási mátrix összekapcsolva.

Alkalmazások

Az FPGA-kat különféle digitális elektronikát igénylő alkalmazásokban használják (telekommunikáció, repülés, szállítás stb.). ASIC prototípus készítésre is használják őket .

Az FPGA-k általában lassabbak, egységenként drágábbak és több energiát fogyasztanak, mint az ASIC ( Application Specific Integrated Circuit ) egyenértékűek . Számos előnyük van azonban:

Néha lehetséges az FPGA átalakítása gyorsabb, olcsóbb és kevésbé fogyasztó ASIC verzióvá (mert az útválasztó meghal egy fix metallizációs réteggel).

Számos modern FPGA-nak van lehetősége átalakításra (a hardver programozásakor a konfigurációról beszélünk), részben menet közben. Ez lehetővé teszi újrakonfigurálható rendszerek - például egy központi processzor - beszerzését, amelynek utasításai szükség szerint dinamikusan változnak.

A modern FPGA-k elég nagyok, és elegendő memóriát tartalmaznak ahhoz , hogy a szoftver futtatásához konfigurálhatók legyenek egy processzormag vagy DSP elhelyezésére . Ebben az esetben a softcore processzorokról beszélünk , szemben a szilíciumba temetett kemény mikroprocesszorokkal . Ma az FPGA gyártók egy vagy több " hardcore  " processzormagot is integrálnak  egyetlen komponensbe annak érdekében, hogy megóvják az alkatrész konfigurálható logikai erőforrásait. Ez nem zárja ki a softcore processzor használatát, amelynek számos előnye van. Ezért hajlamosak vagyunk a chipen lévő rendszerek felé , mint a néhány évtizeddel ezelőtti mikrovezérlő esetében , a felhasználó által konfigurálható logika mellett. A legújabb FPGA-k memóriája még mindig nem elegendő a kissé összetett fedélzeti szoftver futtatásához, és külső memóriákat (ROM, RAM) kell használni. Azonban Moore törvénye még nem ki a gőzt, és ezeket integrálni kell néhány év, és elegendő egy nagy részét a fedélzeti alkalmazásokhoz.

Logikai diagram tervezése

Az FPGA véglegesítéséhez hardverleíró nyelvet vagy grafikus beviteli eszközt kell használni. A leírás összeállítása után konfigurációs fájlt kapunk a kiválasztott FPGA-hoz. A VHDL és a Verilog a két legnépszerűbb leíró nyelv.

Technológiai folyamatok

A programozható alkatrészek alapvető technológiai folyamatai a következők:

Memória technológiák (SRAM, EEPROM, flash) esetében a memória a megfelelő logikai áramkör mellett található, és mindegyik bitje vezérel egy kapcsolót ( tranzisztort ) a logikai hálózat konfigurálásához. Az (anti) biztosítéktechnológiák esetében ezek közvetlenül a logikai hálózatban vannak, és mind a nem felejtő memória, mind a kapcsoló funkciója.

A csúcskategóriás FPGA-k a technológia élvonalában vannak: a technológiai ugrások, mint például a metszet finomsága , gyakran megtörténnek ezeken az alkatrészeken, mielőtt tovább mennek a mikroprocesszorokhoz . A logikai mátrix ismétlődő szerkezete valóban elősegíti a mikroelektronikus gravírozó gépek beállítását. Így az első, 90 nm finomságú vésett komponensek  a Xilinx- ből származó Spartan3 FPGA-k voltak 2003-ban.

Gyártók

Az ilyen programozható áramkörök gyártói között megtalálható az Abound Logic , Achronix , Anlogic , Atmel , Cypress , Gowin , Intel PSG (korábbi Altera ), Lattice Semiconductor , Microsemi (korábbi Actel ), Nallatech , QuickLogic , SiliconBlue , Efinix, Tabula Inc. , Tier Logic és Xilinx .

Lásd is

Megjegyzések és hivatkozások

  1. Xilinx, Spartan-3 FPGA eszközök adatlapja .
  2. (a) Anthony Cataldo , "  Xilinx low-end vonalon mozog a 90 nm-es eljárás  " on eetimes.com  (a) ,2003. április 14(megtekintve : 2019. szeptember 25. )

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek