Fpga ها و انقلابی تازه در طراحی دیجیتال
چکیده مقاله :
سالها پیش که طراحی دیجیتال پا به عرصه ی وجود نهاد و IC های استانداردی چون گیتها ، فلیپ فلاپ ها ، لچ ها شمارنده هاو... و بعدها به تدریج پردازنده هایی با قدرت محدود که اولین کامپیوتر های شخصی بر اساس آنها طراحی شده بود دنیای دیجیتال را به وجود آوردند، تصور روزی که فاصلهی سخت افزار و نرم افزار به حد کنونی برسد به طوری که تمام مرزهای طراحی را در نوردیده و سخت افزار به نرمی و انعطاف پذیری درآید بسیار دشوار بود.
متن کامل مقاله :
سالها پیش که طراحی دیجیتال پا به عرصه ی وجود نهاد و IC های استانداردی چون گیتها ، فلیپ فلاپ ها ، لچ ها شمارنده هاو... و بعدها به تدریج پردازنده هایی با قدرت محدود که اولین کامپیوتر های شخصی بر اساس آنها طراحی شده بود دنیای دیجیتال را به وجود آوردند، تصور روزی که فاصلهی سخت افزار و نرم افزار به حد کنونی برسد به طوری که تمام مرزهای طراحی را در نوردیده و سخت افزار به نرمی و انعطاف پذیری درآید بسیار دشوار بود.
اما بعد ها با طراحی حافظه های قابل برنامه ریزی دوباره و فن آوری EPROM (حافظه های پایای با قابلیت برنامه ریزی و پاک سازی )و PAL(آرایه های منطقی قابل برنامه ریزی)، و سرانجام فن آوری آرایه های سوئیچ های فیوزهای قابل برنامه ریزیچند باره ، انقلابی نوین را درعرصه طراحی دیجیتال به وجود آورد کهمفهوم طراحی دیجیتال را دچار تحولی عظیم در عرصه های دیدگاه معماری ،حجم طراحی ،سرعت و نوع نگرش به طراحی دیجیتال نموده است.
طوری که امروزه FPGA ها (آرایه های گیتی قابل برنامه ریزی میدانی)یک بوم نقاشی سفید را در اختیار طراح قرار می دهندکه به او اجازه می دهد تا طراحی دیجیتال خود را آنچنان که می خواهد و با هر حجم و پیچیدگی لازم ،طراحی و سپس به جای اتخاب IC های استاندارد و جدا از هم و کنار هم قرار دادن آنها در روی یک مدار ووصل کردن آنها ازطریق یک بورد مدار چاپی (PCB)،با استفاده از یکی از زبانهای توصیف سختافزاری نظیر VHDL ، هر یک از قطعات دیجیتالی مورد نیاز را نوشته و با وصل کردن نرم افزاری آنها ،سرانجام فایل کامپایل شده نهایی را زا طریق یک رابط سخت افزاری بر روی یک بسته سخت افزاری خام با تعداد پایه های مورد نیاز برنامه ریزی کرده و از این IC جدید "خود ساخته" استفاده کند.
اما آنچه که قابلیت و توانایی FPGA ها را بالا برده است توانایی هایی است که پاره ای از آنها در زیر آمده است :
1. امکان تعریف هر یک از پایه های IC به صورت ورودی یاخروجی یا هر دو
2. امکان تعریف وضعیت عملکرد هر پایه در هنگام استفاده یا عدم استفاده.به عنوان مثال عملکردHIGH امپدانس(Z)در هنگام عدم استفاده و یا قرار گرفتن در یک وضعیت منطقی صفر یا یک در هنگام عدم استفاده.
3. امکان تشخیص تغیبیرات سطوح یا لبه های پایین رونده یا بالا رونده منطقی اعمال شده به هر پایه.
4. امکان برنامه ریزی چند باره از طریق پایه های برنامه ریزی jTAGیکی از استاندارد های برنامه ریزی IEEEو تغییر معماری آن.
5. امکان تغییر متناوب معمار ی داخلی با استفاده از سری های Bootable که نقشه معماری آنها در یک حافظه خارجی نگهداری شده و با تغییر آدرس برنامه ریزی می توان IC را بامعماری جدید Boot کرده و از آن استفاده کرد .
6. امکان برنامه ریزی در مدار (ISP)که این قابلیت را به وجود می آورد تا بدون اعمال تغییرات سخت افزاری و تنها از طریق پورت برنامه ریزی jTAG، معماری داخلی IC را تغییر داد .
7. محدوده گستره ای از پایه های قابل استفاده در این IC ها که از بسته های 44 پایه تا 514 پایه و حتی بالاتر با حجم گیتی داخلی متفوت که بسته به نیاز بر اساس میزان پیچیدگی داخلی و تعداد پایه های IC را تغییر داد.
8. کاهش حیرت انگیز حجم مدار و مجتمع سازی در ابعادی تنها به مساحت چند سانتی متر مربع.
9. یکسان سازی عناصر طراحی و از میان بردن تمامی مشکلات ناشی از عدم تطابق استاندارد های مختلف(LS,HC,s,AS,...).
10. از میان بردن تمامی نویز های ناشی از وجود قطعات مختلف و مجزا در مدار.
11. کاهش چشمگیر توان مصرفی و اتلاف توان.
12. افزایش سرعت پردازش و خطاهای انتشار به دلیل استفاده از فناوری پیشرفته و دستیابی به خطاهای انتشار تا 4ns و فرکانس کلاک فرارتر از 178 مگاهرتز.
13. کار با دو سطح ولتاژ 5v و 3.3v جهت استفاده از آنها در دستگاه های قابل حمل مانند گوشی های موبایل
14. ضریب ایمنی صد در صد به دلیل عدم امکان دستیابی به محتوای داخلی و عدم توان توصیفمحتوای داخلی به دلیل انجام ساده سازی و فشرده سازی بسیار پیچیده.
و بسیاری از قابلیتهای حیرت انگیز دیگر که امکان انجام یک طراحی مجتمع ،کم حجم ،بهینه و سریع را فراهم می آورد.
محصولات
گر چه شرکتهای بسیاری بسته های FPGA را تولید می کنند اما از میان آنها در شرکت ALTERA و Xilinx از جمله عمده ترین تولید کنندگان این محصول هستند که از این میان شرکتXilinx نوع دیگری از این بسته ها را با نام CPLDرا تولید می کند که به صورت Bootable عمل می کنند،بدین معنی که داده های برنامه ریزی معماری داخلی خود را از یک حافظه ی خارجی خوانده و خود را پیکر بندی کرده و سپس آماده کار می شوند .تمامی این محصولات با توجه به تعداد پایه هاو حجم پیچیدگی قابل برنامه ریزی در انها بر اساس تعداد گیتهای داخلی در بازار موجود و قابل دسترس هستند . از جمله سری های پر قدرت و پرحجم آنها سری flex از محصولات شرکتALTERA که در نمونه ای از آن می توان یکCPU مدل 486 را جای داد.
زبانهای برنامه نویسی
از جمله زبانهای متداول برنامه نویسی سخت افزار ABEL,AHDL,VERILOG,VHDL هستند که هر یک با استفاده از syntax خاص خود برای توصیف سخت افزار مورد استفاده قرار می کیرند که با استفاده از هر یک از آنها می توان هر طراحی دیجیتالی را به زبان آنها نوشته و تحلیل و سپس استفاده کرد.
تفاوتهای LCD و پلاسما
تغییر جهت تولید تلویزیون‌های LCD و پلاسما به جای مونولوگ‌ها نشان از این امر دارد. تلویزیون‌های LCD و پلاسما گرچه به لحاظ ظاهری شباهت‌هایی دارند و خریدار را دچار سردرگمی می‌کنند؛ اما واقعیت این است که این دو نوع تلویزیون با هم تفاوت‌هایی دارند که در ادامه به آن پرداخته می‌شود:
LCD (Liquid crystaly display) و یا به عبارت ساده‌تر صفحه نمایش با تکنولوژی کریستال مایع به این صورت عمل می‌کند که ذرات ریز کریستال مایع در میان دو صفحه شیشه‌ای تخت به صورت اصطلاحا «ساندویچ‌شده» قرار می‌گیرند که با تغییر اندازه جریان الکتریکی وارده به کریستال‌ها تصویر نهایی شکل می‌گیرد.
اما تکنولوژی شکل‌گیری تصویر در نمایشگرهای پلاسما نسبت دوری با اتفاقی که در لامپ‌های فلورسنت رخ می‌دهد، دارد. به این نحو که صفحه نمایش از چند سلول تشکیل شده است که در هر سلول دو صفحه مجزای شیشه‌ای وجود دارد که این دو صفحه توسط یک شکاف از یکدیگر جدا شده‌اند، در درون این شکاف ترکیب گاز نئون – زنون (Neon - Xenon) قرار می‌گیرد که در حین ساخت دستگاه این گاز به فرم مایع (Plasma) در می‌آید و هنگامی که تلویزیون مورد استفاده قرار می‌گیرد این گاز باردار شده و فسفر قرمز، آبی و سبز تولید می‌کند که این نیز در نهایت موجب شکل‌گیری تصویر می‌شود که به هر واحد این فسفرهای رنگی در اینجا پیکسل گفته می‌شود.
مزایای پلاسماها بر LCDها:
شاید بزرگترین عامل برتری پلاسماها علاوه‌بر عامل قیمت، توانایی آنها در به نمایش درآوردن کامل رنگ مشکی است، چیزی که بزرگترین نقطه ضعف LCDها است تا جایی که تقریبا هیچ LCD پیشرفته‌ای نیز قادر به نمایش کامل رنگ مشکی نیست و در هر حال مقداری نور از پس زمینه به بیرون تراوش می‌کند. دومین عامل برتری پلاسماها زاویه دید نسبتا بالای آنها نسبت به رقیبان LCD خود است که در اینجا با فاصله گرفتن از یک پنل LCD کیفیت تصور به نمایش در آمده کم‌کم رو به افول می‌رود در حالی که این موضوع در مورد پلاسماها تقریبا ثابت است که این مورد نیز مشابه بقیه موارد این قسمت با پیشرفت سریع LCDها رو به بهبودی است.
سومین مورد برتری پلاسماها در توانایی نمایش با کیفیت رنگ‌ها است. جایی که باز هم همان تراوش نور از پس زمینه LCDها بر کیفیت رنگ‌های به نمایش درآمده تاثیر دارد. ممکن است این نکته را نیز شنیده باشید که LCDها در توانایی دنبال کردن تصاویر سریع (مثلا در یک فیلم حادثه‌ای با فریم‌های سریع)، کند عمل می‌کند و سایه تصویر قبلی روی تصویر فعلی تاثیرگذار است که این نکته مربوط به پنل‌های نسبتا قدیمی LCD است که با کاهش زمان پاسخگویی LCDها این نکته نیز مرتفع شده است و اما می‌رسیم به بزرگترین عامل برتری پلاسماها بر پسر عموهای LCDشان و آن هم چیزی نیست مگر قیمت! پلاسماها مخصوصا در سایزهای بالا قیمت بسیار پایین‌تری را نسبت به LCDها ارائه می‌کنند، مثلا یک پلاسمای 42اینچی در حدود 30درصد بزرگ‌تر از یک LCD با اندازه 37اینچ است در حالی که هر دو قیمتی تقریبا مساوی دارند (چیزی نزدیک 2میلیون تومان.)
مزایای LCDها بر پلاسماها:
LCDها قادر به نمایش پیکسل‌های بیشتری نسبت به پلاسماهای هم‌سایز خود هستند. علاوه‌بر آن مصرف برق LCDها نسبت به رقیبان پلاسمای خود در حدود 30درصد کمتر است. همچنین وزن آنها نیز بسیار کمتر از پلاسماها است که این موضوع حمل‌و‌نقل و نصب دیواری آنها را آسان‌تر می‌کند.
طول عمر LCDها نیز بالاتر از رقیبان پلاسمای خود است (که این نسبت در مورد پنل‌های قدیمی پلاسما بیشتر مشهود بوده که عمری در حدود 20هزار ساعت و طی 7سال، روزی 8ساعت داشتند، اما در LCDها، طول عمری حدود 60هزار ساعت دارند) که با تولید پلاسماهای پیشرفته این نسبت به طرز مشهودی بهبود یافته است و به این رقم نزدیک شده است.
نکته دیگر در مورد ضعف‌های پلاسما در قبال LCD پدیده‌ای است به نام جاافتادگی تصویر (Burn-in) که طی آن اگر تصویری به مدت طولانی روی صفحه ثابت باشد، سایه این تصویر تا مدت‌ها روی صفحه نمایش باقی می‌ماند که به لطف پیشرفت فناوری و ویژگی‌های پلاسماهای جدید مثل استفاده از Screen Saver این موضوع به حداقل رسیده است.
مساله مهم دیگر پشتیبانی دستگاه از فرمت HD است که تصاویر با کیفیت را ارائه می‌کند. برای اینکه از این مورد مطمئن شوید حتما دستگاه شما (پلاسما یا LCD) باید حداقل از رزولوشن 720 در 1280 پشتیبانی کند که این البته شرط لازم است و نه کافی.
مساله دیگر این است که نمایشگرهای پلاسما با استفاده از حداکثر سلول‌های تصویر (پیکسل) می‌تواند تصویری واضح‌تر و شفاف‌تر ایجاد کند و از 2لایه شیشه‌ای تشکیل شده که بین این دو لایه، پلاسما تزریق می‌شود که موجب ایجاد ولتاژ زیاد و تولید اشعه ماورای بنفش می‌شود که همین اشعه باعث روشنایی و نمایش تصویری با کیفیت عالی می‌شود.
به گزارش همشهری آنلاین، مهم‌ترین مزایای نمایشگر پلاسما نسبت به دیگر نمایشگرها این است که روشنایی صفحه توسط نمایشگر کنترل می‌شود تا چشم بیننده خسته نشود. همچنین زاویه دید 180درجه‌ای ایجاد می‌کند که می‌توان تصویر را از همه طرف به طور کامل مشاهده کرد. جالب اینکه روشنایی تصویر به طور اتوماتیک با روشنایی محیط تطابق پیدا می‌کند و در صورتی که در محیط تاریک از آن استفاده کنید، به طورخودکار تصاویر را روشن‌تر برای شما به نمایش می‌گذارد.
باتوجه به ضخامت اندک این نمایشگرها، قابلیت نصب در بهترین و مناسب‌ترین موقعیت‌ها را دارند و حتی می‌توانید یک نمایشگر پلاسما را روی سقف اتاق قرار داده و در حالی که روی تختخواب استراحت می‌کنید، فیلم مورد علاقه‌تان را ببینید، اما در عوض پلاسما بسیار گران‌تر است.
