Терминът FPGA означава Field Programmable Gate Array и е един вид полупроводников логически чип които могат да бъдат програмирани да станат почти всякакъв вид система или цифрова схема, подобна на PLD. PLDS са ограничени до стотици порти, но FPGA поддържат хиляди порти. Конфигурацията на FPGA архитектурата обикновено се определя с помощта на език, т.е. HDL (хардуерен език за описание), който е подобен на този, използван за ASIC (специфична за приложение интегрална схема).

Полеви програмируеми масиви на порта

FPGA могат да осигурят редица предимства пред ASIC технологията с фиксирана функция като стандартните клетки. Обикновено производството на ASIC отнема месеци и цената им ще бъде хиляди долари, за да се получи устройството. Но FPGA се произвеждат за по-малко от секунда, цената ще бъде от няколко долара до хиляда долара. Гъвкавият характер на FPGA идва със значителни разходи в областта, консумацията на енергия и закъснението. Когато в сравнение със стандартната ASIC клетка, FPGA изисква 20 до 35 пъти повече площ, а производителността на скоростта ще бъде 3 до 4 пъти по-бавна от ASIC. Тази статия описва за основите на FPGA и модула за архитектура на FPGA, който включва I / O подложка, логически блокове и матрица за превключване. FPGA са някои от новите тенденции в областта на VLSI. Следователно те се използват в Проекти, базирани на VLSI за студенти по електронен инженер .

“3 -фазен ватметър ”

FPGA архитектура

Общата FPGA архитектура се състои от три типа модули. Те са I / O блокове или накладки, комутационни матрични / междусистемни проводници и конфигурируеми логически блокове (CLB). Основната FPGA архитектура има двуизмерни масиви от логически блокове със средство за потребителя да организира взаимовръзката между логическите блокове. Функциите на FPGA архитектурен модул са разгледани по-долу:

CLB (конфигурируем логически блок) включва цифрова логика, входове, изходи. Той реализира потребителската логика.
Взаимовръзките осигуряват посока между логическите блокове за реализиране на потребителската логика.
В зависимост от логиката, превключващата матрица осигурява превключване между междусистемни връзки.
I / O подложки, използвани за външния свят за комуникация с различни приложения.

FPGA архитектура

Logic Block съдържа MUX (мултиплексор) , D тригер и LUT. LUT изпълнява комбинираните логически функции, MUX се използва за логика за избор, а D тригер съхранява изхода на LUT

Основният градивен елемент на FPGA е генераторът на функции, базиран на Look Up Table. Броят на входовете в LUT варира от 3,4,6 и дори 8 след експерименти. Сега имаме адаптивни LUT, които осигуряват два изхода на единичен LUT с изпълнението на два генератора на функции.

FPGA логически блок

Xilinx Virtex-5 е най-популярната FPGA, която съдържа таблица за търсене (LUT), която е свързана с MUX, и тригер, както е обсъдено по-горе. Настоящата FPGA се състои от около стотици или хиляди конфигурируеми логически блокове. За конфигуриране на FPGA, софтуерите на Modelsim и Xilinx ISE се използват за генериране на битов поток файл и за разработка.

Видове FPGA въз основа на приложения

Програмируемите портови масиви на място се класифицират в три типа въз основа на приложения като FPGA от нисък клас, FPGA от среден клас и FPGA от висок клас.

“общ режим на усилване на диференциалния усилвател ”

Видове FPGA

FPGA от нисък клас

Този тип FPGA са предназначени за ниска консумация на енергия, ниска логическа плътност и ниска сложност на чип. Примери за FPGA от нисък клас са семейство Cyclone от Altera, семейство Spartan от Xilinx, семейство Fusion от Microsemi и Mach XO / ICE40 от полупроводникови решетки.

FPGA от среден клас

Този тип FPGA са оптималното решение между FPGA от нисък и висок клас и са разработени като баланс между производителността и цената. Примери за FPGA от среден клас са Arria от Altera, Artix-7 / Kintex-7 от Xlinix, IGL002 от Microsemi и ECP3 и ECP5 от Lattice semiconductor.

Висококачествени FPGA

Този тип FPGA са разработени за логическа плътност и висока производителност. Примери за висок клас FPGA са семейство Stratix от Altera, семейство Virtex от Xilinx, семейство Speedster 22i от Achronix и семейство ProASIC3 от Microsemi.

Приложения на FPGA:

FPGA са постигнали бърз растеж през последното десетилетие, защото са полезни за широк спектър от приложения. Специфично приложение на FPGA включва цифрова обработка на сигнала, биоинформатика, контролери на устройства, софтуерно дефинирано радио, произволна логика, прототип на ASIC, медицинско изобразяване, компютърна хардуерна емулация, интегриране на множество SPLD, гласово разпознаване , криптография, филтриране и комуникационно кодиране и много други.

Обикновено FPGA се съхраняват за определени вертикални приложения, където производственият обем е малък. За тези приложения с малък обем най-добрите компании плащат хардуерни разходи на единица. Днес новата динамика на производителността и разходите разшириха обхвата на жизнеспособни приложения.

“усилване на диференциален усилвател ”

Приложения на FPGA

Някои по-често срещани FPGA приложения са: космическа и отбранителна медицина, медицинска електроника, ASIC прототипиране, аудио, автомобилна индустрия, излъчване, потребителска електроника, разпределени парични системи, център за данни, високопроизводителни изчисления, индустриални, медицински, научни инструменти, Системи за сигурност , Обработка на видео и изображения, жични комуникации, Безжични комуникации .

Идеи за проекти, базирани на FPGA:

Ето списък на базирани на FPGA проектни идеи за експериментиране с Verilog HDL и VHDL за студенти от последната година инженерство. The списък с идеи за електронни проекти въз основа на FPGA е дадено по-долу:

Идеи за проекти, базирани на FPGA

Система за вход за сигурност, базирана на FPGA
Цифров слухов апарат, базиран на FPGA
Архитектура за извличане на изображения в реално време, базирана на FPGA
FPGA проектиране и внедряване на Mp4 декодери
Базиран на FPGA Система за контрол на пътния сигнал Проектиране и изпълнение
Генерация на високочестотни носители на FPGA за импулсно компресиране с използване на Cordic Algorithm
Програмируем дизайн и синтез на логически блок с Macro gate и Mixed LUT
Специфични за приложение инструкции Проектиране на процесор, внедряване и проучване за конкретна задача на DSP
Проектиране и внедряване на модул за синхронизация за приемник за възходяща връзка WCDMA
FPGA Внедряване на FFT алгоритъм за IEEE 802.16e (мобилен WiMAX)
Проектиране, базирано на FPGA GPS (глобална система за позициониране) -GSM (Глобални системи за мобилни телефони) Мобилен навигатор
Космически вектор PWM (модулация на широчината на импулса) за преобразуватели на три нива: внедряване на LabVIEW
Проектиране и внедряване на програмируема многопроцесорна платформа за вградена обработка с висока производителност
Разширяване и подобряване на оптимизацията на процесора с висока производителност за FPGA
Разработка и оценка на полево ориентиран контрол с помощта на LabVIEW FPGA
Директен цифров честотен синтез в FPGA
Проектиране и програмиране на многопроцесорна платформа за високоефективна вградена обработка
Проектиране и интегриране на космическото изследване на програмируеми броячни решетки с помощта на FPGA
Прилагане на FPGA на телескопа Icecube за откриване на следи от неутрино
Интерполация на изображение на 3D дисплей във фърмуера
Архитектура и внедряване на MIMO Sphere System
Архитектура на суперскаларна ефективна FFT (бърза трансформация на Фурие)
регистър с линейна обратна връзка (LFSR) Оптимизация на мощността за BIST с ниска мощност

След като прекарате ценното си време в тази статия, ние вярваме, че имате добра идея за архитектурата на FPGA и ЗА избора на избрана от вас тема на проекта от идеите за проекти, базирани на FPGA, и се надяваме, че имате достатъчно увереност, за да вземете всяка тема от списъка. За повече подробности и помощ относно тези проекти можете да ни пишете в раздела за коментари, даден по-долу.

Кредити за снимки: