Fpga

Realizado por: Diego Angulo Pedro Calle David Ochoa Patricio Siguenza

INTRODUCCIÓN 

Cambios tecnologicos han sido hechos en un gran número de campos: comunicaciones, imagen médica, sonares y radares, reproducción de música de alta fidelidad, industria petrolera

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Cada una de estas áreas ha desarrollado una tecnología DSP (Digital Signal Processing) profunda, con sus propios algoritmos, matemática, y técnicas especializadas.

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Los sistemas embebidos y aún más los circuitos de hardware reprogramable llamados FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), han jugado y aún juegan un papel importante en este tipo de desarrollo

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Sobre todo en aquellas aplicaciones en que se necesite de una elevada velocidad de cómputo y alto paralelismo.

Definición de un FPGA 

Un FPGA es un conjunto de compuertas lógicas. Gran cantidad de lógica que puede ser interconectada para formar diferentes circuitos digitales combinacionales y secuenciales.

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Las FPGA’s (Field Programmable Gate Array) Son dispositivos lógicos de propósito general programable por los usuarios, compuesto de bloques lógicos comunicados por conexiones programables.

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Un FPGA es un chip en blanco el cual contiene numerosas puertas logicas en su interior sin configurar y sin conectar entre si.

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Por lo tanto, sería posible copiar "literalmente" la configuración lógica interna (interconexionado) de un procesador Z80 dentro de un FPGA, con lo que el FPGA funcionaría como un Z80

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Un FPGA por dentro contiene:      

Un generador de Funciones Registro y Latches Memoria Administración del Reloj Administración de Potencia Funciones DSP

¿Cuándo usamos un FPGA para hacer DSP? Un FPGA es bueno por:  Gran cantidad de procesamiento en paralelo  Numerosas tareas repetitivas simples y rigidas  Alta tasas de muestreo y ancho de banda de datos  Operaciones de punto fijo  Implementación de pequeños bloques DSP dentro de gran cantidad de lógica digital  Creación de prototipos o reemplazamiento de ASICs  Configuración de hardware dinámica y flexible  Asignación de un diagrama de bloques directamente en el hardware  Sistemas Multifrecuencia  Configuración de precisión y longitud de palabra

¿Cuándo no usamos un FPGA para hacer DSP? Un FPGA no es bueno para:  Tareas secuenciales  Tareas complejas con una gran cantidad de toma de decisiones  Aplicaciones de muy baja potencia  Operaciones de punto flotante

FPGA VS DSP(Digital Signal Processor) DSP:  Facil de programar(usualmente en C)

 Muy eficiente para secuencias complejas  Costos bajos

FPGA:  Programacion en HDL  Eficiente para aplicaciones de alta velocidad  Eficientes para operaciones a nivel de bit

 Gran cantidad de entradas y recursos  No soportan puntos flotantes, se debe construir

uno propio

Alto rendimiento  Alta eficiencia de energia 

Tendiencia de corriente

FPGA VS DSP(Digital Signal Processor) Tiempo Rendimient Preci en el o o mercado

Facilidad Potencia Flexibilida de uso d

ASIC

Más largo

Alto

Bajo

Más Difícil

Baja

Baja

ASSP

Más corto

Alto

Bajo

Más Fácil Baja

Baja

DSP

Corto

Medio

Bajo

Fácil

Baja

Alta

FPGA

Corto

Alto

Alto

Difícil

Alta

Alta

MCU

Corto

Más Bajo

Bajo

Fácil

Baja

Alta

RISC/GP P

Corto

Bajo

Alto

Fácil

Alta

Alta

FPGA VS DSP(Digital Signal Processor)

FPGA VS DSP(Digital Signal Processor) Tomado del fabricante Xilinx     

Mejor rendimiento (paralelismo) Sistema de baja potencias (comparado con un grupo de DSP) Hardware reconfigurable Optimizacion de hardware computacional(no posible en DSPs) Alto ancho de banda de entrada y salida

Problemas que afectan la implementación de un FPGA 

Frecuencia de datos, frecuencia de muestreo, frecuencia de reloj  Representación numérica, ancho de palabra, precisión y redondeo  Operaciones aritméticas, paralelas seriales, distribuidas, desbordamiento, subdesbordamiento saturación  Tablas de consulta, Bloques de RAM o memoria distribuida, optimización

Frecuencias 

Frecuencia de muestreo: Frecuencia a la cual las muestras de los datos son tomados y procesados

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Frecuencia de reloj: Frecuencia del sistema de reloj (Reloj que maneja los registros del FPGA)

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Tasa de datos: Tasa en la cual nuevos datos llegan y necesitan ser procesados

Estas tasas y frecuencias afectaran y limitaran las posibles arquitecturas y soluciones

Frecuencia de muestreo 

Debe cumplir el criterio de Nyquist  Los datos puede ser sobremuestrado o submuestrado • Sobremuestramiento usado para

incrementar SNR o reducir efectos de ruido de quantizacion • Submuestramiento usado en senales IF o RF 

Manejo de sincronizacion para sistemas de reloj

Frecuencia de reloj 

Altas frecuencias de reloj permitira altas frecuencias tasas de muestreo  Altas frecuencias de reloj consumiran mas potencia  Si las frecuencias de muestreo es mas baja que el sistema de reloj, varios reloj puede ser usado para procesar informacion

Tasa de datos  Algunos datos no necesitan ser muestreados a la misma velocidad que otros

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs Reloj:  Los clocks son ruteado usando pistas especiales en los FPGAs, y es disenado para minimizar el desfase  En realidad hay multiples pines de reloj para soportar multiples dominios de reloj dentro del FPGA  El administrador de reloj es una funcion especial que recive senales de reloj externo y genera derivaciones del mismo

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs Derivaciones y administradores del reloj  Las derivaciones puede ser utilizado para controlar clocks internos o como salidas para construir otros chips

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Defasador de reloj: cuando estan desfasados entre si

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs Proposito general de I/O • Con 1000 o mas pines I/O digital, entradas analogicas, • Los pines son agrupados y seccionados por conjunto de

bancos, cada uno de esos puede ser configurado individualmente para soportar un estandar particular de I/O • Esto incrementa la versatilidad del FPGA y permite interactuar con las diferentes estandares

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs 

FPGA XC3S200, de la familia Spartan-3 de Xilinx, que tiene las siguientes características: • 200.000 compuertas • 192 bloques lógicos configurables (CLBs) • 30 Kbits de memoria RAM distribuida • 216 Kbits de bloques de memoria RAM • 12 multiplicadores • 173 pines de I/O disponibles para el usuario

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs Impedancia I/O configurable  FPGAs I/O pines pueden ser configuradas con impedancias especificas para cancelar la reflexion de las senales  Los FPGAs de la compania Xlink contienen un microprocesador empotrado llamado MicroBlaze

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Comunicación mediante el puerto serie con interrupción:se puede efectuar la recepción en MicroBlaze de datos enviados desde la PC, para ser procesados en MicroBlaze. Temporizador interno con interrupción: para considerar el uso de MicroBlaze en aplicaciones de PDS en tiempo real. Para ello se realizan interrupciones cada 125 us, en este tiempo se lee el dato almacenado previamente en la DDR, Unidad de punto flotante (FPU), opción presente en el BSB (Base System Builder), que mejora considerable el tiempo de ejecución de programa Conversión de formatos: los datos guardados en DDR en formato entero se convierten a formato flotante para realizar las operaciones matemáticas relacionadas con las aplicaciones software que se realicen, y viceversa. En resumen se genera una señal en Matlab en la PC, se envía mediante el puerto serie hacia la tarjeta en la cual es guardada en memoria, procesada a través de la programación en lenguaje C/C++ de las aplicaciones de PDS, y finalmente el resultado es analizado correctamente en Matlab.

Caracteristicas y especificaciones de los FPGAs

Estructura de los FPGAs  1. 2.

El proceso de diseño de un circuito digital utilizando un FPGA se descomponerse en dos etapas basicas: Dividir el circuito en bloques basicos, asignandolos a los bloque congurables del dispositivo. Conectar los bloques de logica mediante los conmutadores necesarios.

Estructura de los FPGAs 

Para ello el fabricante proporciona las herramientas de diseño adecuadas.

Los elementos basicos constituyentes de un FPGA son los siguientes: 1. Bloques logicos, cuya estructura y contenido se denomina arquitectura. Hay muchos tipos de arquitecturas, que varan principalmente en complejidad (desde una simple puerta hasta modulos mas complejos o estructuras tipo PLD). Suelen incluir biestables para facilitar la implementacion de circuitos secuenciales. Otros modulos de importancia son los bloques de Entrada/Salida 2. Recursos de interconexion, cuya estructura y contenido se denomina arquitectura de rutado. 3. Memoria RAM, que se carga durante el RESET para configurar bloques y conectarlos.

Estructura de los FPGAs 

Las FPGAs que existen en la actualidad en el mercado se pueden clasicar como pertenecientes a cuatro grandes familias, dependiendo de la estructura que adoptan los bloques logicos que tengan denidos.

Arquitectura de los FPGAs 

Están formados por un arreglo de bloques lógicos configurables (CLBs) colocados en una infraestructura de interconexiones programable  Es posible programar la funcionalidad de cada CLB, las interconexiones entre éstos y las conexiones entre entradas y salidas cuantas veces se desee 

Los elementos básicos de un FPGA son: • Bloques lógicos configurables (CLBs)

• Bloques de entrada/salida configurables (IOBs) • Matrices de interconexión programable (M)

Arquitectura de los FPGAs

Arquitectura de los FPGAs 

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La celda lógica básica CLB típica de un FPGA consiste en una tabla de búsqueda (lookup table,LUT) de varias entradas, y un almacenador La celda lógica tiene entradas para la LUT y una entrada de reloj.

Arquitectura de los FPGAs 

Otros elementos que pueden estar integrados en los FPG • Bloques de memoria RAM (BRAMs) • Circuitos manipuladores de reloj • Multiplicadores • Procesadores

Herramientas de diseño 

Lenguajes: VHDL,Verilog, HandeLC, Culp,Labview

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Simuladores: Active HDL, ModelSim

Ambientes integrados: Xilinx ISE, Max Plus, Quartus II  Síntesis: Synopsis FPGA Compiler, Synplicity, Leonardo 

Altera configuration device (EPC2) Configure data to FPGA from EPC2 when power up.

Expansions

Configuration target selector 1. To FPGA 2. To EPC2

40MHz Oscillator

7.5V DC Power

JTAG Interface (USB Blaster) Altera FPGA Cyclone EP1C12Q240C8

48-bit Up/Down counter with Load, Clear and Enable

CLK_28 Exclk_153 Din 24 bit Select frequency

Fabricantes de FPGAs A principios de 2007, el mercado de los FPGA se ha colocado en un estado donde hay dos productores de FPGA de propósito general que están a la cabeza del mismo, y un conjunto de otros competidores quienes se diferencian por ofrecer dispositivos de capacidades únicas. Xilinx es uno de los dos grandes líderes en la fabricación de FPGA. Altera es el otro gran líder. Lattice Semiconductor lanzó al mercado dispositivos FPGA con tecnología de 90nm. En adición, Lattice es un proveedor líder en tecnología no volátil, FPGA basadas en tecnología Flash, con productos de 90nm y 130nm. Actel tiene FPGAs basados en tecnología Flash reprogrammable. También ofrece FPGAs que incluyen mezcladores de señales basados en Flash.

Atmel es uno de los fabricantes cuyos productos son reconfigurables (el Xilinx XC62xx fue uno de estos, pero no están siendo fabricados actualmente). Ellos se enfocaron en proveer microcontroladores AVR con FPGAs, todo en el mismo encapsulado.  Achronix Semiconductor tienen en desarrollo FPGAs muy veloces. Planean sacar al mercado a comienzos de 2007 FPGAs con velocidades cercanas a los 2GHz.  MathStar, Inc. ofrecen FPGA que ellos llaman FPOA (Arreglo de objetos de matriz programable).  QuickLogic tiene productos basados en antifusibles (programables una sola vez). 

Bibliografía www.xilinx.com  www.digikey.com  www.altera.com  http://www.miky.com.ar/fpga_2004.pdf  http://www.microcontroladorespic.com/tu toriales/FPGAs/estructuraconfiguracion.html  http://legameda.blogspot.com/2008/01/1 2-estructura-de-la-fpga.html 