Pondělí 24. ledna 2022, svátek má Milena
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Pondělí 24. ledna 2022 Milena

Specializované mikroprocesory pro průmysl, vědu a výzkum - hradlová pole FPGA

23. 09. 2021 11:29:41
Na rozdíl od univerzálních mikroprocesorů například pro běžné stolní počítače - mikroprocesory pro průmyslové stroje nebo například zkušební přístroje jsou více specializované podle účelu.

1 úvod

V některých případech jsou ovšem specializované mikroprocesory konstruována tak - aby bylo možno tento účel pozměnit a to bud přímo tzv. v terénu - nebo alespoň v poslední fázi výroby.

Z konstrukčního a technologického hlediska FPGA obvod je integrovaný obvod..

Snad ještě zmínka o předchozích generacích počítačů - z hlediska členění přístrojů od celků k jednotlivostem procesory předchozích generací bylo možno zařadit do kategorie "modul" - kdežto mikroprocesory jako FPGA obvody je možno považovat jak za modul - tak za součástku, druh integrovaného obvodu (+ přídavný řídící člen) .

2. základní struktura - tři část1 FPGA obvodů

Programovatelné specializované mikroprocesory svou strukturou tak trochu připomínají železniční stanici

2.1 programovatelná část - řídící člen (něco jako dispečing) - zpravidla se připojuje vně - třeba jako přídavná flash

2.2 programovatelná část - vlastní hradlové pole - FPGA obvody v užším smyslu (už součást mikroprocesoru) - také označení jako spínač - nebo přepínač - připomíná hradlo u železniční stanice

2.3 fixní část mikroprocesoru

3. historie, základní struktura a použití

PROGRAMOVÁNÍ V TERÉNU

První předchůdci FPGA byly programovatelné paměti PROM, které však nebyly příliš úsporné. Jejich postupným vylepšováním vyrobila první FPGA v roce 1984 firma Xilinx.

Programovatelné hradlové pole, programovatelné integrované obvody i jako mikroprocesory, antipojistky


Programovatelná hradlová pole (FPGA, anglicky Field Programmable Gate Array) je v elektronice typ logického integrovaného obvodu, který je vyroben tak,
aby mohl být naprogramován až u zákazníka.
"PROGRAMOVÁNÍ V TERÉNU"
Obsahuje pole programovatelných logických obvodů (PLD), logických bloků, umožňuje je navzájem propojit a tím vytvořit takřka libovolné číslicové zařízení (například mikroprocesor, řídící obvod síťové karty a podobně). Tím se odlišuje od zákaznických integrovaných obvodů (ASIC), jejichž funkce je dána již při výrobě.

Charakteristika
FPGA obvody dnes nacházejí uplatnění v široké škále aplikací díky své programovatelnosti, snadnému návrhu, flexibilitě, neustále klesajícím cenám a zvolna se snižující spotřebě energie vlastním čipem. Typické použití je v oblasti menších sérií navrhovaných zařízení, kdy se nevyplatí návrh zákaznického integrovaného obvodu a současně konvenční řešení systému s procesorem už není vhodné. Další aplikace můžeme nalézt například v oblasti prototypování složitějších zákaznických integrovaných obvodů. Velká programovatelná hradlová pole dnes umožňují i implementaci komplikovaných procesorů.

Kromě FPGA obvodů se lze běžně setkat i s tzv. CPLD obvody (Complex Programmable Logic Devices). CPLD použijeme spíše na návrh jednoduché propojovací logiky při integraci složitějších prvků (glue logic).

Existují také programovatelná analogová pole (FPAA).

4 . konfigurace FPGA obvodů a druhy řídících členů

Technologie FPGA obvodů
Rozeznáváme dva základní typy FPGA podle uložení konfigurace: FPGA s volatilní a FPGA s nevolatilní konfigurací.

4. 1 FPGA s volatilní konfigurací ukládají konfigurační informace do paměťových buněk typu SRAM.

Výhody:

Snadná konfigurace a rekonfigurovatelnost i za běhu systému.
K výrobě FPGA s volatilní konfigurací je používán standardní technologický proces CMOS bez dodatečných kroků a proto jsou SRAM obvody vždy o jednu až dvě technologické generace napřed před ostatními FPGA.
Nevýhody:

Programovatelný obvod musí být po startu systému nakonfigurován – k tomu je obvykle potřeba externí paměť a jednoduchý řadič, to znamená větší potřebný prostor na desce s plošnými spoji a více součástek, dále konfigurace může trvat až stovky milisekund.
Je těžší zajistit zabezpečení intelektuálního vlastnictví, protože konfiguraci obvodu lze obvykle jednoduše vyčíst z konfigurační paměti.

4. 2 FPGA s nevolatilní konfigurací ukládá konfigurační bity typicky ve flash paměti, EEPROM, nebo tzv. antifuses (antipojistky).

Nevýhody: obtížnější změna konfigurace
Výhody: lepší zabezpečení intelektuálního vlastnictví, vyšší odolnost proti radiaci.
Vlastnosti jednotlivých technologií:

Antipojistky
antifuse je v nenaprogramovaném stavu rozpojená a programováním se propojí (opak pojistky) – vytvoří se rezistivní spojka. FPGA je konfigurovatelné pouze mimo cílovou aplikaci.
EEPROM/flash FPGA umožňují jak programování v aplikaci, tak před vlastním použitím.
Jazyky pro syntézu hradlových polí
V počátcích programovatelných obvodů se pro návrh používaly proprietární jazyky (např. ABEL) či kreslení schemat.

Hlavními jazyky pro programování obsahu hradlových polí jsou dnes VHDL a Verilog. Někteří výrobci nabízejí i proprietární jazyky a nástroje, jako např. AHDL od firmy Altera. Jednodušší návrhy bývá rovněž možné nakreslit pomocí grafických editorů.

Návrh obvodu popisujeme na RTL úrovni, jako sadu registrů propojených kombinační logikou realizující logické operace. Výhodou použití RTL úrovně je práce na vysokém stupni abstrakce – jeden řádek zdrojového kódu je v hardware reprezentován typicky desítkami/stovkami hradel, což zvyšuje produktivitu práce a zpřehledňuje vlastní návrh. RTL popis systému je posléze konvertován do konfiguračního souboru FPGA obvodu v několika krocích (syntéza, mapování, rozmístění a propojení, generování konfiguračního souboru).

Výrobci hradlových polí
Intel (dříve Altera)
Lattice semiconductor
Xilinx vlastněný AMD
Microsemi (dříve Actel) vlastněný firmou Microchip
Literatura
Šťastný Jakub: FPGA prakticky, BEN - technická literatura, 2011, ISBN 978-80-7300-261-9
Pinker Jiří, Poupa Martin: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN - technická literatura, 2006, ISBN 80-7300-198-5
Král Jiří: Řešené příklady ve VHDL - Hradlová pole FPGA

Autor: Jan Tomášek | čtvrtek 23.9.2021 11:29 | karma článku: 4.55 | přečteno: 196x

Další články blogera

Jan Tomášek

Industriální Kroměříž - malá elektrárna, továrna na uzeniny (elektřina VN a NN 14)

Malá parní elektrárna, Simonova továrna na uzeniny, a také automobily Simca. Nejen podobně znějící názvy firem mohou být důvodem ke sloučení více námětů v jeden. Pro Kroměříž trochu netypická turistika.

1.1.2022 v 9:43 | Karma článku: 6.94 | Přečteno: 258 | Diskuse

Jan Tomášek

Mechanika 6 - vzlet letounu a diagram XY jako statistika provozu a výkonu

Navozující příspěvek na předchozí příspěvky o mechanice . v pozornosti opět veličiny čas, frekvence, rychlost - a dále síla, moment síly, výkon

15.12.2021 v 10:12 | Karma článku: 4.85 | Přečteno: 243 | Diskuse

Jan Tomášek

Na konečné v Řečkovicích - proč byl u tramavají zaveden stejnosměrný proud a co je měnírna

Kromě informací o stejnosměrné napájecí trakce pro tramvaje, též pojednání o liniových stavbách jako jsou třeba různé rozvody, třeba elektrické - takovou typickou liniovou stavbou je ovšem plynovod nebo ropovod.

10.12.2021 v 11:04 | Karma článku: 9.81 | Přečteno: 599 | Diskuse

Jan Tomášek

Mechanika 5 - tři stupně momentů - statické momenty, moment síly, výkon a čas a rychlost

Další pokračování v bádání nad veličinami mechaniky - a to zejména statiky a dynamiky - především z matematického hlediska

5.12.2021 v 8:49 | Karma článku: 5.44 | Přečteno: 288 | Diskuse

Další články z rubriky Věda

Dana Tenzler

Slunce prolétá obří bublinou

Díky vyhodnocení materiálů, které dodala vesmírná sonda Gaia, odhalili vědci, jak vypadá naše nejbližší kosmické okolí. Nacházíme se v obří bublině. (délka blogu 5 min.)

24.1.2022 v 8:00 | Karma článku: 18.07 | Přečteno: 279 | Diskuse

Tomáš Flaška

Jsem paranoidní, nebo mě Čína fakt chce špehovat?

Taková drobnost. Koupě obyčejného nabíjecího kabelu na telefon přes čínský eshop za pár šupů. Jenomže tady něco nehraje.

23.1.2022 v 12:13 | Karma článku: 31.37 | Přečteno: 1366 | Diskuse

Jan Mestan

Pohádka o putujících deskách

Čím to, že výsledkem rozdílu extrémně extrémně (2x extrémně tam není náhodou) nepřesného modelu pohybů desek a reálného měření GPS má být dokonalé pole deformací uvnitř desky? Chyba je na straně rámce, ve kterém měření provádíme.

22.1.2022 v 19:13 | Karma článku: 11.62 | Přečteno: 474 |

Jan Mestan

Komentář: Souostroví Tonga – tektonický rámec

Na webu Geofyzikálního ústavu Akademie věd České republiky se objevil text k erupci sopky Hunga Tonga–Hunga Haʻapai. Krátce na něj zareaguji.

21.1.2022 v 3:34 | Karma článku: 14.31 | Přečteno: 368 |

Jaroslav Flegr

Proč nebude vakcína na omikron a proč je to vlastně fuk

Máme se očkovat vakcínami proti wuhanskému viru, nebo si máme radši počkat na vakcíny proti novým variantám? Odpověď zní – je třeba se očkovat tím, co je. Ostatně, vakcíny proti jiným variantám nejspíš ani nebudou. Proč?

20.1.2022 v 14:50 | Karma článku: 44.55 | Přečteno: 25904 | Diskuse
Počet článků 242 Celková karma 7.10 Průměrná čtenost 429

Zajímám se o spoustu témat - která se trochu mění podle let a období.

Najdete na iDNES.cz