ما هي FPGA لغة بسيطة للمبتدئين

ما هو الالكترونيات الرقمية المرتبطة؟ بادئ ذي بدء ، مع العناصر المنطقية و ، أو ، لا. علاوة على ذلك ، فإن سجلات الإزاحة ، أجهزة فك التشفير ، أجهزة الإرسال ، إلخ ، تدخل في الذاكرة. ومع ذلك ، مع زيادة تعقيد الأجهزة الإلكترونية والاتجاه نحو التصغير ، أصبح إنشاء أجهزة تعتمد على الدوائر المتكاملة (ICs) من المكونات المذكورة أعلاه أكثر صعوبة ، أثبتت الدوائر المتكاملة المخصصة للطوبولوجيا والدوائر المطلوبة أنها جديرة بالاهتمام فقط عندما يتم نسخ الجهاز بأعداد كبيرة ، وفي حالات أخرى كان مكلفًا بشكل غير معقول.

كان المخرج من هذا الوضع هو تطوير دوائر منطق متكاملة قابلة للبرمجة (اختصار باسم FPGA ، اختصار خارجي كجهاز منطقي قابل للبرمجة ، PLD). ما هو وأين يتم استخدامه سنقول في هذه المقالة.

الاختلافات من ميكروكنترولر

مع كلمة "برمجة" ، معظم المبتدئين المنتسبين مع ميكروكنترولر. على الرغم من حقيقة أنها مبرمجة أيضًا ، فإن FPGAs هي جهاز مختلف تمامًا.

للمطورين في ميكروكنترولر ، هناك مجموعة ثابتة من الحلول والوسائل المتاحة المتأصلة في شريحة معينة ، لن تعمل بأي شكل من الأشكال على التراجع عن الهندسة المعمارية. يتم إعطاؤك مجموعة من الأوامر التي تنفذ بها عمليات التفاعل مع البيئة ، من خلال قراءة البيانات من المدخلات الرقمية والتناظرية وإرسال الإشارات إلى المشغلات باستخدام المخرجات.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك إجراء العمليات الحسابية وحفظ البيانات في السجلات أو ذاكرة الوصول العشوائي (ROMs) ، بالإضافة إلى تشغيل البيانات التي تم وميضها في ذاكرة المتحكم الدقيق. في هذا ، في جوهره ، هو الغرض والميزات للعمل مع ميكروكنترولر.

تختلف الدوائر المتكاملة المنطقية القابلة للبرمجة (FPGAs) في أنه عندما تقوم ببرمجة جهاز ، فإنك تنشئ بنية من العناصر المنطقية الأساسية. وبالتالي ، تحصل على سرعة ومرونة عالية للرقاقة. هذا يجعل من الممكن ، دون تغيير شريحة واحدة ، لجعل عدد من المشاريع.

بشكل عام ، يمكن تقسيم جهاز FPGA الداخلي إلى ثلاث مجموعات رئيسية:

1. مجموعة من العناصر المنطقية (الخلايا الكبيرة ، الكتل المنطقية).

2. كتل الإدخال / الإخراج (IO).

3. خطوط الاتصال بينهما والجهاز الذي يتحكم في هذه الاتصالات.

ومع ذلك ، فإن هذه الهيكلة معممة للغاية ، وسوف ننظر في هذه المسألة بمزيد من التفصيل أدناه.

من خلال البرمجة ، تقوم بتوصيل العناصر بنفس الطريقة التي تقوم بها ، وتجميع الجهاز من العناصر الفردية وتوصيل المدخلات والمخرجات مع الموصلات.

ملاحظة:

الفرق الرئيسي بين FPGAs و microcontrollers هو أنه في متحكم دقيق لا يمكنك تغيير الاتصالات الداخلية بين أبسط العناصر ، والبرمجة والعمل معهم يعتمد على تسجيل الاتصالات.

يعتمد اختيار ميكروكنترولر على العديد من المعايير ، مثل:

• السرعة وسرعة الساعة.

• مقدار ROM و RAM ؛

• عدد المدخلات والمخرجات.

ميزات وظيفية أخرى وملحقاتها ، مثل دعم خطوط وبروتوكولات الاتصال (I2C ، سلك واحد ، إشارة PWM ، إلخ).

عند اختيار FPGA ، يكون المعيار الرئيسي هو عدد الكتل القابلة للبرمجة - يجب أن تكون كافية لتنفيذ المهمة.

اعتمادًا على FPGA المحدد ، يمكن أن يختلف عدد الكتل داخل حدود واسعة ، والتكلفة وفقًا لذلك.

ينفذ المتحكم الدقيق بالتتابع جميع العمليات الموصوفة في برنامجه ، في حين تؤدي كتل FPGA المهمة بالتوازي وبشكل مستقل عن بعضها البعض ، وبالتالي ، فإن مقارنة هذه الأجهزة بتردد الساعة غير عملي. مبدأ عملها يختلف كثيرا.

أنواع

ذات الصلة حاليًا نوعان رئيسيان من FPGAs:

1. CPLD (جهاز المنطق القابل للبرمجة المركب - الدائرة المتكاملة المنطقية القابلة للبرمجة ، في الواقع ، هذا هو FPGA بمعناه الكلاسيكي). عادة ما يكون لديه ذاكرة مضمنة غير متقلبة يتم تحميل البرنامج الثابت عليها.

بنيت البنية الداخلية على مصفوفة من الخلايا الكبيرة أو كتل منطقية ، وعدد العناصر فيها يكمن في نطاق مئات وآلاف القطع. بسبب بساطتها النسبية ، فهي أرخص من النوع التالي من المنطق القابل للبرمجة. كل هذا يؤدي إلى حقيقة أن CPLD يستخدم بشكل رئيسي في الدوائر التي تحتاج إلى سرعة عالية وعدد كبير من المخرجات ، أثناء القيام بمهام بسيطة.

2. FPGA (مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة ميدانيًا - مصفوفة بوابة قابلة للبرمجة بواسطة المستخدم ، ومع ذلك يشار إليها غالبًا باسم FPGA) - الأجهزة الأكثر تطوراً وتعقيدًا مقارنة بـ CPLD ، مبنية على كتل منطقية مع تبديل مرن وتحتوي على عدد أكبر من العناصر (عشرات أو مئات الآلاف من القطع).

يتم تخزين البرامج الثابتة عادةً في ذاكرة خارجية غير متقلبة. بالإضافة إلى أبسط عناصر المنطق ، يمكن أن تحتوي FPGAs على كتل جاهزة لتنفيذ أي عمليات ، على سبيل المثال ، كتل معالجة إشارة DSP. كل هذا يسمح لك بتنفيذ المعالج ، وأجهزة معالجة الإشارات وغيرها من الأجهزة المعقدة.

عجب الأول:

على الرغم من أن وجود ذاكرة غير متقلبة في الواقع لا يجعل CPLD المنطق القابل للبرمجة. هذا مضلل جزئيا. الفرق الرئيسي بين CPLD و FPGA هو الهيكل الداخلي.

يظهر جهاز CPLD الداخلي بمزيد من التفاصيل في الشكل أدناه.

ويبدو المخطط التقريبي لوحدة ماكروسيل الخاصة بها كما يلي:

تتكون الخلية الكبيرة من معددات قابلة للبرمجة ومشغلات (واحدة أو أكثر) وتشكل مجموعة من إشارات FB الإخراج في عدة إصدارات.

فيما يلي مثال آخر - رسم تخطيطي لكتلة CPLD من مجموعة شرائح Altera MAX II.

والخطة الهيكلية للرقائق من نفس العائلة.

يتم تعيين الإطارات الوسيطة على الخلايا الكبيرة باستخدام عقدة مثل الموزع باللغة الإنجليزية. يبدو مثل Logic Allocator ، والذي يظهر في الرسم التوضيحي أدناه ، كما أنه يعرض مصفوفة التبديل (Global Routing Pool) ، وفي وحدات الماكرو (الإخراج) (macrocells) لها تغذية مرتدة.

يتم توصيل المخرجات الخارجية للدائرة الصغيرة بمخرجات الخلايا الكبيرة من خلال كتلة أخرى (مصفوفة) - ORP (مجموعة توجيه الإخراج) ، لاحظ أنه من خلاله يتم توصيل منطق INPUT بـ GRP ، كما هو موضح في الرسم التوضيحي أدناه.

ملاحظة:

بعض CPLDs لها ما يسمى المدخلات المباشرة (الإدخال المباشر) - ترتبط بإدخالات الخلايا مباشرة ، مما يقلل من التأخير.

هيكل FPGA لديه الشكل:

• L - كتلة شكلي منطقي.

• S (كتلة استبدال) - كتلة استبدال ، وهي تستقبل عددًا معينًا من البتات في كل خطوة ، وتحول وفقًا لخوارزمية معينة ، وتخرج عددًا مختلفًا من البتات في الإخراج. بمعنى آخر ، وحدة فك ترميز ومشفّر ومحول.

• C (كتلة الاتصال) - كتلة الاتصال.

مخطط كتلة S:

 

برمجة

HDL (لغة وصف الأجهزة) - هذه هي اللغة التي يتم بها برمجة FPGAs. شعبية وتنوعا هي فيريلوج HDL و VHDL. توجد لغات أخرى ، مثل تلك الخاصة بالمصنعين ، مثل AHDL لمنتجات ALTERA.

تتوفر البرمجة الرسومية للمطورين الذين يعملون مع FPGAs. وهذا يعني أنه يمكنك ببساطة رسم دوائر منطقية أو دمج الكود مع الرسومات. يسمى الأخير طريقة التطوير المعياري ، عندما يتم وصف وحدات محددة ، ويتم برمجة الوحدة العليا ، التي يتم فيها دمج كل شيء ، بيانياً.

أمثلة من الشركات المصنعة الشهيرة وسلسلة

في وقت كتابة هذا التقرير ، الأكثر شهرة هي منتجات اثنين من الشركات المصنعة.

• ألتيرا (تأسست في عام 1983) ؛

• Xilinx (تأسست في عام 1984).

ألتيرا لديها العديد من سلسلة رئيسية من المنطق القابل للبرمجة:

• MAX، MAX II، MAX IIZ؛

• 7000S.

• 3000A.

• MAX V ؛

• الإعصار.

• آريا.

• Stratix.

دعونا نفكر في كل منهم بمزيد من التفصيل. في الجداول أدناه ، ترى معلومات عامة حول شرائح العائلة.

Altera 3 CPLD CPLD:

• MAX عبارة عن CPLD للاستخدام في الأجهزة المحمولة ، والسمات المميزة هي انخفاضًا نسبيًا في استهلاك الطاقة وتبديد الحرارة. اعتمادًا على تعقيد وسنوات الإصدار ، يتم تمييز التعديلات التالية:

• 7000S عفا عليها الزمن حتى الآن ، تم إصداره في عام 1995.

• 3000A - صدر في عام 2002 ، يتم تصنيعه باستخدام تقنية 300nm. يتكون من عدد صغير من الخلايا الكبيرة (32-512)

• تم تصنيع MAX II في 2004 ، باستخدام تقنية 100nm ، ويتألف من عدد أكبر من الوحدات (240-2210) التي تعمل على ترددات تصل إلى 304 ميغاهيرتز. تم تصنيع المنتج في حالات النوع TQFP 0.5 mill مع 100 أرجل أو أكثر.

• MAX IIZ - 2007 ، الميزة الرئيسية هي انخفاض استهلاك الطاقة - وهذه نقطة إيجابية ، ومع ذلك ، يتم تقليل الترددات إلى 152 ميغاهيرتز. تعمل هذه الدوائر الصغيرة من 1.8 فولت.

• ماكس الخامس - 2010 العام. يتم إنتاجه وفقًا لتكنولوجيا 180 نانومتر ، ويمكن أن يحتوي على كتل من 40 إلى 2210 ويعمل على ترددات تصل إلى 152 ميجا هرتز أو عند 304 ميجا هرتز - يعتمد ذلك على عدد الكتل.

FPGA:

• الإعصار عبارة عن رقاقة نوع FPGA في الميزانية. هناك خمسة أجيال تتميز بالأرقام اليونانية (من I إلى V ، على التوالي). تم إطلاق الجيل الأول في عام 2002 ، وتم إنتاجه باستخدام تقنية 180nm ، وتم إصدار الجيل الخامس في عام 2011 وتم تصنيعه باستخدام تقنية 28nm. تجدر الإشارة إلى أن جميع الأجيال لا تزال ذات الصلة.

• Arria - راجع أيضًا FPGA متوسطة المدى.

• Stratix - FPGAs قوية.

أدناه هي الجداول المحورية منطق المنطق Altera FPGA.

والجدول الكامل على الرابط:

الشركة المصنعة Xilinx CPLD المقدمة في سلسلة:

• XC9500XL من 36-288 macrocells. تعمل هذه الأجهزة بترددات تصل إلى 178 ميجاهرتز ، ونماذج في 288 خلية كبيرة بسرعة 208 ميغاهيرتز. يتم تنفيذها كما هو الحال في الحالات الصغيرة التي تحتوي على 44 دبابيس (خيوط) على مسافة 0.8 مم من بعضها البعض - تعتبر هذه الحالات ملحومة بسهولة. تتوفر أيضًا مع 64 و 100 أرجل بزيادات 0.5 مم ، وكذلك الطُرز في حاويات من النوع PLCC.

• سلسلة CoolRunner-II هي CPLD موفرة للطاقة ولكنها منتجة. يتم تشغيل ميزة بجهد 1.8V ، تم تصميم المدخلات والمخرجات للعمل في حدود 1.5-3.3V. وهي تتألف من 32 إلى 512 خلية كبيرة يتم إنتاجها باستخدام تقنية 180nm. اعتمادًا على عدد الخلايا ، تعمل في نطاق الترددات 179-323 ميجاهرتز ، وكلما كانت الخلايا أصغر ، زاد عدد مرات تكرار عملها في هذه الحالة. تم العثور عليها في حالات مختلفة ، بما في ذلك ملحوم بسهولة ، كما في الدوائر الدقيقة للسلسلة المذكورة أعلاه.

لم تمر شركة Xilinx و FPGA:

• Spartan-6 - تتكون من كتل منطقية 6 مدخلات ، وعددها يقع في حدود 3840-147443 قطعة. من المثير للاهتمام أنها قد تحتوي على وحدات تحكم لتبادل البيانات مثل DDR2 و DDR3 و PCI-EXPRESS و Ethernet 1Gbit و SerialATA وغيرها ...

• سلسلة Vitrex-7 معقدة ، ويمكن أن تحتوي الدوائر الصغيرة على ما يصل إلى 2،000،000 قطعة منطقية و 1200 جهة اتصال.

يمكنك العثور أدناه على جداول الملخصات التي تحتوي على مواصفات CPLD و FPGA من سلسلة Xilinx 6 و 7 ، وكذلك Zynq-7000.

استنتاج

كما يتم إنتاج FPGAs و PCVM بواسطة شركات أخرى مثل Lattice Semiconductor (في عام 2002 بدأت في إنتاج FPGAs) و Actel وقراءها المعروفين على موقعنا. ميكروكنترولر ATMEL وغيرها الكثير. على المنطق القابل للبرمجة ، من الممكن تنفيذ عدد من الأجهزة ، لتنفيذ حسابات متوازية مستقلة عن بعضها البعض في جهاز واحد ، ومع ذلك ، بالنسبة للمشاريع المنزلية ، غالباً ما يكون شرائها غير مبرر ماليًا ، ولكنه معقول تمامًا على نطاق الإنتاج ، كبديل للدوائر المتكاملة المخصصة.

ملاحظةشاهد الفيديو ، حيث سترى مثالًا على تطبيق وحدة ألعاب Nintendo على FPGA: