FPGA MİMARİSİ

04260019 Yücel BÜRHAN04260035 Halim GÜLENÇ

FPGA Teknolojisinin Gelişimi• İlgili teknolojilerin kronolojik gelişimi

SPLD ve CPLD• İlk programlanır tümdevreler (IC’s) PLD

(Programmable Logic Device) olarak takdim edilirler.

CPLD (Complex Programmable Logic Device)

• Artan kapasite ihtiyacı Altera’nın EPROM ve CMOS teknolojisine dayanan CPLD’leri geliştirmesini sağladı.

ASIC (Aplication Specific Integrated Circuits)

• Uygulamaya Özgü Tümdevreler kendi içinde 4 ana grupta incelenir.

FPGA

•Yüksek yapılandırma

•Hızlı tasarım

•Değişiklik imkanı

•Geniş ve karmaşık tasarımları desteklemez

•Çok geniş ve karmaşık işlevleri destekler

•Oldukça pahalı

•Uzun süreç

•Tasarımın geri dönüşü yok

FPGA• Bu aralığı doldurmak amacıyla Xilinx firması FPGA adını

verdiği yeni bir IC sınıfı geliştirdi ve 1984 yılında pazara sunulacak hale getirdi.

• İlk FPGA’ler CMOS tabanlı ve yapılandırma için SRAM hücreleri kullanıyordu.

• FPGA’ler yapılandırılabilir mantık blokları ile birlikte bu bloklar arasındaki değiştirilebilir ara bağlantılardan oluşan sayısal tümleşik devrelerdir.

FPGA KULLANIM ALANLARI• İlk Kullanım 1980 ortaları(ara yapıştırıcı mantık ve kısıtlı veri işleme)• 90’ların başında artan kapasite (haberleşme ve ağ ortamlarında

kullanım)• 90’ların sonlarına doğru tüketiciye yönelik (otomotiv ve endüstriyel

kullanımda büyüme)• Ve 2000’ler; milyonlarca kapı içeren yüksek performanslı modeller

(Ek olarak gömülü mikroişlemci çekirdekleri, yüksek hızlı I/O arayüzleri, gömülü RAM ve DSP öbekleri)

• Kriptoloji uygulamaları• Tıbbi görüntüleme sistemleri

FPGA HARDWARE

Tasarımcı tarafından düzenlenebilecek üç ana bölümü olduğu düşünülebilir:

• Düzenlenebilir Mantık Blokları (Configurable Logic Block) – CLB kullanılacak mantık fonksiyonel birimleridir.

• Giriş / Çıkış Blokları (Input / Output Blocks) – IOB entegre devrenin paket bacakları ile iç bağlantılar arasındaki ilişkiyi oluşturur.

• İç Bağlantılar (Interconnects) CLB ve IOB’ler arasındaki giriş çıkışları sağlar.

1) Birçok kez bir mantık bloğunu komşularıyla birleştirmek gerekecektir. Her mantık bloğunun çıkışı ile bu bloğun üstündeki, altındaki ve sağındaki blokların girişleri arasında dolaysız bir bağlantı (Direct Interconnect) vardır.

2) Bu komşu bağlantılarının yetersiz kaldığı durumlarda genel bağlantılar (General Interconnect) kullanılabilir. Bu genel bağlantı hatları üzerinde anahtarlama devreleri (Switching Matrix – SM) olduğu için en genel anlamdaki bağlantılar kolayca gerçekleştirilebilir.

• 3) FPGA’ in uzak köşelerindeki mantık bloklarını birbirine bağlamak gerekirse özel olarak bu amaçla yerleştirilmiş uzun hatlar ( Long Lines ) kullanılır

FPGA’ lerde Düzenlenebilir Mantık Bloklarının (CLB) giderek daha karmaşık bir biçim aldığı gözlenmektedir. Oldukça basit yapılı bir CLB, XC2000 tipi bir devrede 64 – 100 blok yer almakta, bu da 1200 – 1300 kapıya eşdeğer olmaktadır.

FPGA BAĞLANTI ÇEŞİTLERİ

Bir formülün sonuçlarını bulmak için bilgisayarın her defasında bir hesaplama yapması yerine, bir defa hesaplanan sonuçları bir bir tablo halinda saklaması ve gerektiğinde hesaplama yapmadan, giriş adreslerine karşı gelen sonucun tablodan okunması yöntemine “Look – Up Table” yöntemi denir.

İDEAL FPGA LOJİK YAPISI

• n-bit lik LUT, sanki (2^n x 1) lik bir hafıza gibi işlem görür:

• Gelen veriler 2^n tane hafıza konumundan birini secer;

• Hafıza konumları ( latch ler ) kullanıcıdan gelen düzenleme bit dizisi ile dolar;

• MUX işlemi ile CLB (Configurable Logic Block) bölümünün girdileri elde edilir.

• Sonuc olarak genel amaçlı “mantıksal kapı” dır.

• N li LUT, n tane giriş verisinin HER TÜRLÜ işlemini yürütebilir.

4-LUT İŞLEMLERİ

• “configuration file” veya “bit file” olarak isimlendirilen dosya yapılması gerekilen işlevi FPGA içinde yerine getirir.

• Yapılandırma dosyası üretici firmaların sunduğu ürün geliştirme programları tarafından üretilir.

• SRAM tabanlı FPGA’lardaki yapılandırma dosyası, yapılandırma verisi ve yapılandırma komutlarını içerir.Yapılandırma verisi, doğrudan programlanır mantık öğelerinin durumunu belirlemek için kullanılır.Yapılandırma komutları ise aygıta yapılandırma verileri ile ne yapacağını söyler.

FPGA YAPILANDIRILMASI

FPGA İLE UYGULAMA GELİŞTİRME

FPGA yongasında istediğimiz programı gerçeklemek için aşağıda verilen akış şeması takip edilir.CAD ( Computer Aided Design ) olarak bilinen bilgisayar destekli tasarım yazılımları sayesinde günümüzde tasarımcılar üzerinden büyük yük kalkmıştır. Tasarım aşamasında büyük zaman alabilecek basamaklar ortadan kaldırılıp tasarımcının özel yeteneği ile fark yaratılmaktadır.

• Tasarım girişi• Sentez• İşlevsel benzetim• Yerleştirme• Zaman analizi ve benzetimi• Programlama ve yapılandırma

FPGA AKIŞ ŞEMASI

ŞEMATİK TABANLI TASARIM

DİĞER TASARIM ŞEKİLLERİ

• HDL• C/C++• DSP• EMBEDDED SYSTEMS• YÜKSEK HIZLI TASARIMLAR

BAZI ÜRETİCİ FİRMALAR

• Xilinx www.xilinx.com• Altera www.altera.com• Actel www.actel.com• Anadigm www.anadigm.com• Atmel www.atmel.com• Leopard Logic www.leopardlogic.com• Quick Logic www.quicklogic.com