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.