FPGA — теория программируемой логики

Что такое FPGA? Теория программируемой логики

FPGA (Field Programmable Gate Array) — программируемая шлюзовая матрица. По своей сути FPGA является массивом взаимосвязанных цифровых подсхем, которыми реализуются общие функции. Также система видится инструментом, наделённым очень высоким уровнем гибкости. Однако чтобы реализовать полностью гибкость матрицы, потребуются исключить массу нюансов. Поэтому рассмотрим концепцию FPGA, попутно узнаем, что такое логические шлюзы, определим, как программировать FPGA. Наконец, найдём отличия конструкции матрицы от конструкции микропроцессора.

FPGA или микроконтроллер?

Микроконтроллеры выступают доминирующим компонентом современного электронного конструирования. Микроконтроллеры относительно недорогие и универсальные электронные модули.

Это мощные инструменты, благодаря которым успешно решаются различные задачи проектирования. Тем не менее, микроконтроллеры построены на основе процессоров, а процессоры характерны некоторыми фундаментальными ограничениями.

Как же достичь превосходства FPGA над традиционным микроконтроллером? Конечно же, посредством программного обеспечения и аппаратных средств.

Процессор решает задачи, выполняя инструкции последовательно. Таким образом, операции процессора по существу ограничены.

Требуемая функциональность должна быть адаптирована к доступным инструкциям, и в большинстве случаев невозможно одновременно выполнить несколько задач обработки.

Логическая структура микроконтроллера
Структура микроконтроллера: 1 – процессор; 2 – контроль прерываний; 3 – генератор импульсов; 4 – ROM; 5 – управление шиной; 6 – RAM; 7 – порты ввода/вывода; 8 – счётчики; 9 – последовательный порт

Набор инструкций рассчитан на высокую универсальность, и в настоящее время инструкции могут выполняться на чрезвычайно высоких частотах; однако эти характеристики не устраняют недостатки программного подхода к цифровому конструированию.

Альтернативой является аппаратный подход. Было бы чрезвычайно удобно, если бы каждая новая конструкция выстраивалась вокруг цифровой ИС, которая реализует точную функциональность, востребованную системой.

Тогда нет необходимости писать программное обеспечение:

  • никаких ограничений набора команд,
  • никаких задержек обработки,
  • используется только одна ИС,
  • выходы и цифровые схемы соответствуют операциям.

Эта методология нецелесообразна вне описания, поскольку она предполагает разработку ASIC (специализированной интегральной схемы) для каждой платы. Однако есть возможность аппроксимировать эту методологию через FPGA.

Программируемая шлюзовая матрица

FPGA – это, по сути, массив логических вентилей. Этот массив может быть запрограммирован пользователем для конкретного устройства. Рассмотрим подробнее такую возможность.

Логические шлюзы (AND, OR, XOR и т. д.) являются основными строительными блоками цифровой схемы. Поэтому неудивительно, когда цифровое устройство, которое необходимо конфигурировать (запрограммировать пользователем), состоит из множества шлюзов, связанных методом настройки.

Однако FPGA не является обширной коллекцией отдельных булевских шлюзов. Это был бы субоптимальный способ обеспечения функциональности настраиваемой логикой. Тот же принцип проявляется, к примеру, в области дискретных цифровых интегральных схем (ИС).

В принципе, можно приобрести интегральные схемы, которые состоят из И-шлюзов, ИЛИ-шлюзов и т. д. Между тем вряд ли рационально создавать сдвиговый регистр из отдельных шлюзов. Куда рациональнее и практичнее использовать ИС регистра сдвига.

Таким образом, FPGA видится намного более выразительным инструментом, чем просто массив шлюзов. Это массив тщательно разработанных и взаимосвязанных цифровых подсхем, которые эффективно реализуют общие функции.

Конфигурируемые логические блоки

Отмечено, что FPGA обеспечивает очень высокий уровень гибкости. Эту гибкость обеспечивают цифровые подсхемы, именуемые конфигурируемыми логическими блоками (CLB). Такими блоками образуется ядро программируемых логических возможностей FPGA.

Логическая-структура-FPGA
Структура программируемой шлюзовой матрицы: CLB – настраиваемый логический блок; SB – переключающий бокс; CB – соединительный бокс; I/O – блок ввода/вывода; H – горизонтальный канал маршрутизации; V – вертикальный канал маршрутизации; C – «W» трек

Технически CLB взаимодействуют друг с другом и с внешней схемой. Для этих целей FPGA использует матрицу программируемых соединений и блоков ввода/вывода (I/O).

Программа FPGA хранится внутри ячеек SRAM, которые влияют на функциональность CLB и управляют коммутаторами, устанавливающими пути подключения.

Подробное объяснение внутренней структуры и работы CLB потребует отдельной публикации (или даже нескольких публикаций). Общая идея заключается в том, что CLB включают в себя:

  • таблицы поиска,
  • элементы хранения (триггеры или регистры),
  • мультиплексоры.

Все эти включения позволяют CLB выполнять логические операции, операции хранения данных и арифметические операции.

Блок ввода-вывода состоит из различных компонентов, которые облегчают на электронной плате связь между CLB и другими компонентами. К ним относятся:

  • подтягивающие резисторы,
  • буферы,
  • инверторы.

Пользовательская программируемая логика (как программировать FPGA?)

Каким же образом превратить массив CLB в цифровую схему, которая делает именно то, чего желает пользователь? На первый взгляд это действие кажется довольно сложной задачей.

Действительно, реализация  FPGA обычно считается сложнее, чем программирование микроконтроллера. Однако разработка FPGA не требует глубоких знаний функциональности CLB или кропотливой компоновки внутренних взаимосвязей.

Это аналогично тому, когда разработка микроконтроллеров не требует глубокого знания инструкций на языке ассемблера процессора или внутренних сигналов управления.

На самом деле несколько неверно представлять FPGA как отдельный компонент. Система FPGA всегда поддерживается программным обеспечением разработки.

Такое ПО выполняет сложный процесс преобразования аппаратного конструирования в биты программирования. Этими битами определяется поведение взаимосвязей и CLB.

Языки программного «описания» оборудования

Существуют средства, которые позволяют пользователю «описывать» аппаратное обеспечение. Эти средства называются языками описания аппаратных средств (HDL). Среди наиболее распространенных языков следует отметить «сладкую парочку»: —

Несмотря на очевидное сходство между кодеком HDL и кодом, написанным на языке программирования высокого уровня, эти два средства принципиально отличаются друг от друга.

Программирование шлюзовой матрицы FPGA
Пример программирования шлюзовой матрицы с помощью VHDL кода, благодаря чему достигаются все необходимые операции, на которые рассчитывает конечный пользователь

Программный код определяет последовательность операций, тогда как HDL-код больше похож на схему, которой используется текст с целью представления компонентов и создания взаимосвязей.

Заключительный момент обзора

Современные FPGA — это сложные, высокопроизводительные устройства. На первый взгляд это пугающе сложные системы для тех пользователей, кто привык работать с микроконтроллерами.

Микроконтроллеры видятся проще для сбора данных, управления ASIC и выполнения математических операций. Однако на практике легко обнаруживается, что для некоторых конкретных применений улучшенная производительность и универсальность достигаются именно разработкой на FPGA.


При помощи информации: Allaboutcircuits


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *