presentación de Power POint de Introducción a las FPGA
- 1. Alejandro Ehrenfeld G. Claudio Alarcón R. Universidad de Chile EL693 Otoño 2006
- 2. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 2 Qué es FPGA • Siglas de Field Programmable Gate Array. • Es un dispositivo reprogramable, que permite implementar diversos circuitos digitales en él. • Basadas generalmente en memorias RAM.
- 3. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 3 Por qué usar las FPGA • Hay aplicaciones en las cuales usar un microcontrolador no es suficiente, o usar una FPGA posee costos comparables (por ejemplo, codificar y decodificar en MPEG). • Actualmente hay modelos que incluyen elementos adicionales en el mismo chip. – La Virtex 4 de Xilinx posee uno o más PowerPC embebidos en el chip.
- 4. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 4 Otras formas de implementar circuitos digitales • Directamente en silicio: – ASIC • Application-Specific Integrated Circuit: Circuito a medida. Alto costo fijo (NRE) de fabricación. – Standard Cells • Celdas de ancho fijo, en las cuales se implementan bloques lógicos.
- 5. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 5 Otras formas de implementar circuitos digitales • Programables: – Microcontrolador • Posee un set de instrucciones fijo. – CPLD: Complex Programmable Logic Device. • Basados en memorias FLASH. • No son volátiles, pero son más lentos y menos densos que una FPGA.
- 6. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 6 Ventajas de las FPGA • Son dispositivos reconfigurables. • Bajo costo respecto a los ASIC. • Los circuitos se “ejecutan” más rápido que en otros dispositivos reprogramables.
- 7. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 7 Ventajas de las FPGA • Al ser circuitos digitales, la “ejecución” de cada bloque es en paralelo, no así en un microcontrolador. • Son útiles para realizar prototipos que luego serán llevados a ASIC si es necesario.
- 8. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 8 Desventajas de las FPGA • Al estar basadas en RAM, pierden su configuración al suprimir la energía (hay soluciones a ello). • Poseen retardos de propagación mayores a los existentes en ASIC o standard cells – Un procesador de alta velocidad (~GHz) se ejecuta mucho más rápido en ASIC que en una FPGA.
- 9. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 9 Fabricantes de FPGAs • Xilinx • Altera • Atmel • Actel • Lattice Semiconductor • Cypress Semiconductor • Achronix Semiconductor • QuickLogic (fuente: Wikipedia.org)
- 10. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 10 Arquitectura de una FPGA • Una FPGA posee al menos 3 bloques: – CLB: Configurable-logic blocks, donde se implementan los circuitos lógicos. – IOB: Input-output block, donde se conectan las configuraciones internas con pines de entrada y salida. – DCM: Digital Clock Managers, permiten entregar señales de reloj a toda la FPGA.
- 11. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 11 Arquitectura de una FPGA • Una FPGA básica (Xilinx Corp.)
- 12. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 12 Arquitectura de una FPGA • El elemento esencial es el slice. En él se pueden implementar tanto circuitos combinacionales como secuenciales. • Antes de ver cómo es un slice por dentro, repasaremos algunos elementos y conceptos necesarios.
- 13. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 13 Elementos básicos • Buffer tri-estado (TRI) – Permite o impide el paso de datos de acuerdo a una señal de control. in out enable Low-active in out enable High-active
- 14. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 14 Elementos básicos • Look-up Table (LUT) – En esencia es una memoria RAM con valores predefinidos. En los DSP de punto fijo se utilizan Look-up Tables para implementar funciones trigonométricas LUT n m
- 15. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 15 Elementos Básicos • Flip-Flop (FF) – Elemento que almacena un bit de acuerdo a una señal de reloj de entrada. FF-D d q clk ~q Los más utilizados son los Flip-flop tipo-D
- 16. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 16 Elementos Básicos • Flip-Flop tipo D
- 17. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 17 Elementos Básicos • Multiplexor – Permite seleccionar una o más señales de entrada a partir de bits de selección in_0 in_1 … out_1 in_n … out_p a_0 … a_m
- 18. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 18 Elementos Básicos Multiplexor 4 a 1
- 19. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 19 Elementos Básicos • Demultiplexor / decodificador (DEMUX) – Permite dirigir una señal de acuerdo a bits selección. out_0 out_1 … out_n in a_0 a_1 … a_m
- 20. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 20 Elementos Básicos • Demultiplexor de 4 canales
- 21. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 21 Conceptos básicos • Open-collector / Open-drain La salida no entrega un nivel lógico alto (tied-up), sino que sólo activa un transistor. Inversor con salida open-collector
- 22. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 22 Conceptos básicos • Fanout Cuántas entradas de una familia lógica pueden conectarse a una misma salida. … máx máx Ientrada Isalida fanout
- 23. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 23 Conceptos básicos • Niveles de voltaje Un 1 y 0 lógico se pueden representar de diversas maneras. Ejemplos: – TTL 1 = 5V 0 = 0V – LVTTL 1 = 3.3V 0 = 0V – En I2C 1 = High-Z 0 = 0V – USB usa voltajes diferenciales
- 24. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 24 Cómo es un slice • Una slice es la base de las CLB • En esencia es un bloque de look-up tables enlazadas con una salida que puede ser registrada (flip-flop) o directa, pudiendo implementarse diversas funciones lógicas. • También hay implementaciones con multiplexores.
- 25. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 25 Cómo es un slice
- 26. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 26 Implementar funciones • A continuación se muestra cómo se implementan físicamente funciones lógicas y combinacionales en un slice • Estas y otras metodologías son utilizadas por las herramientas de diseño para FPGAs.
- 27. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 27 Implementar funciones • Para implementar funciones combinacionales, se programan las tablas de verdad en las LUT y se usa la salida directa. • Para implementar funciones secuenciales, se utiliza el flip-flop y se realimenta la salida secuencial en una de las entradas si es necesario.
- 28. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 28 Implementar funciones • Implementar la operación XOR2 A B C D Y 0 0 X X 0 0 1 X X 1 1 0 X X 1 1 1 X X 0 Entradas (ABCD) Salida 00XX 0 01XX 1 10XX 1 11XX 0 Tabla de Verdad LUT
- 29. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 29 Implementar funciones • Implementar Flip Flop T en un bloque: LUT FF-D clk Q D enable reset reset enable Qk Qk+1 0 X X 0 1 0 Q Q 1 1 Q ~Q
- 30. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 30 Implementar funciones • Implementar un contador de 4 bits síncrono
- 31. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 31 Implementar funciones • Se crea un bloque FF-T AND, y luego varios de estos se interconectan. Enn-1 clk Reset Qn-1 Enn (bloque 1) Qn (bloque 2)
- 32. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 32 Implementar funciones • Bloque 1: Tabla de verdad resumida Reset enn-1 & Qn-1 Qn Dn 0 X X 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 LUT FF-D clk Dq Enn-1 reset Qn-1 Qn
- 33. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 33 Implementar funciones • Bloque 2 LUT Enn Enn-1 Qn-1 Enn = Qn-1 & Enn-1
- 34. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 34 Implementar funciones • TAREA 1 – A partir de las CLB básicas vistas anteriormente, diseñe un sumador de 4 bits.
- 35. EL693 Implementación de Sistemas Digitales en FPGA 35 Implementar funciones • Lo visto anteriormente sirve como muestra de cómo se implementan internamente las funciones. • En la práctica se usan Lenguajes de Descripción de Hardware (HDL), como por ejemplo Verilog y VHDL.