Técnicas de Programación Hardware: CAD para FPGAs y CPLDs

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1 Técnicas de Programación Hardware: CAD para FPGAs y CPLDs Clase 4: FPGAs Por: Nelson Acosta & Daniel Simonelli UNICEN - Tandil

2 Implementación de Sistemas Procesador convencional. Economico, conjunto fijo de instrucciones, entonces lento. Microcontrolador dedicado. Economico, pero lento por igual causa que procesador. Circuito dedicado a medida. Caro, pero se obtienen buenas velocidades, aunque cualquier modificación es muy difícil de realizar. 2

3 Circuito dedicado a medida Transistores. Copiable. Integrados estandar. serie 74xxx. Copiable. Glue-Logic, se hacen placas grandes con varios integrados. Copiable. ASIC. Extremadamente rápido y caro, totalmente a medida. No COPIABLE. Estructura no modificable. 3

4 ASIC. Puntos a tener en cuenta. Costo de diseño. El diseño debe realizarlo una empresa con las librerías del fabricante. Costo de implementación. El fabricante ejecuta verificaciones sobre el diseño, para detectar si cumple los requerimientos. Confección de mascaras en tecnología propietaria. 4

5 Que es una FPGA? Dispositivo lógico de propósito general programable por los usuarios, compuesto de bloques lógicos comunicados por conexiones programables. El tamaño, estructura y número de bloques; y la cantidad y conectitividad de las conexiones varian en las distintas arquitecturas. 5

6 Ventajas: Costo bajo de las herramientas, programación en minutos, y bajo riesgo del proyecto (como consecuencia del bajo costo), verificación efectiva del diseño mediante simuladores o en el chip, bajo costo del testing, ventajas de ser un producto de fabricación estándar, y ventajas del ciclo de vida de una aplicación. Desventajas: tamaño y costo del chip, velocidad del circuito, y metodología de diseño ad-hoc. 6

7 Evolución de dispositivos programables PROM (Programmable Read-Only Memory). LUT Mask Programmable. Field Programmable. EPROM (Eraseable Programmable Read-Only Memory). EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read-Only Memory). LUT PLD (Programmable Logic Device). (And-Or) PAL (Programmable Array Logic). (And-Or). Cableado fijo PLA (Programmable Logic Array). (And-Or). Cabl. progr. MPGA (Mask Programmable Gate Array). Arreglo 2D de transist. FPGA (Field Programmable Gate Array). (Xilinx 85) 7

8 FPGAs programables por SRAM Estructura: arreglo bidimensional de bloques lógicos rodeados por conexiones configurables. Una familia tiene identicos bloques lógicos y conexiones, pero difieren en el tamaño del arreglo. Tecnología de programación: Se programa por la carga de celdas de memoria de configuración, que controlan la lógica e interconexiones. No hay área de memoria separada. Características: Volatilidad, Memoria externa, Reprogra-mabilidad, Calidad, Proceso de fabricación estandar y Bajo consumo. 8

9 Arquitectura del dispositivo (1) El CHIP de la FPGA: Arreglo 2d de CLBs rodeados por IOB. Tiene circuitería para la configuración. La palabra de configuración se carga en las celdas de memoria de configuración, formando las funciones lógicas en una tabla y controlan las interconexiones en PIPs y multiplexores. 9

10 Arquitectura del dispositivo (2) Bloque lógico CLB (Configurable Logic Block): Contiene una tabla de n entradas, Esta rodeado por canales del cableado (varios segmentos). La salida del CLB es conectada a segmentos cableados usando PIPs. Si el bloque no se usa, todos los PIPs se desconectan y el bloque no genera señal a ningún segmento, y el segmento puede ser usado para otras señales. 10

11 Arquitectura del dispositivo (3) 11

12 Arquitectura del dispositivo (4) Un Bloque está formado por (a): Tabla: Implementa lógica combinacional 2 n por cada celda de memoria. Usando n entradas 2^2 n. Se programa cargando el patron de bits de la tabla de verdad de la función. Las entradas no usadas se mantienen a nivel bajo o se duplica la lógica. Todas las funciones tienen el mismo retraso. El place&route toma ventaja de la equivalencia entre pines. 12

13 Arquitectura del dispositivo (5) Un Bloque está formado por (b): Punto de Interconexión Programables (PIP): Controlan la conexión de los segmentos cableados en las interconexiones programables. Es un pass-transistor controlado por la memoria de configuración. Multiplexor: Unico ruteo unidireccional. Las llaves construidas con multiplexores ahorran espacio. 13

14 Diseño con SRAM-FPGA (1) Densidad y velocidad. Densidad es la cantidad de lógica usable por unidad de área del chip. Velocidad es el retraso necesario para implementar una función. Tamaño y ruteabilidad. Más PIPs brinda más opciones de ruteo. Cada PIP incluye una celda de memoria. 14

15 Diseño con SRAM-FPGA (2) Velocidad y ruteabilidad. Cada segmento de conexión se carga por la capacidad del pass-transistor de todas las potenciales conexiones que pueden hacerse. Tamaño de bloque y estructura. Compuertas versus LUT. Para alta velocidad se prefieren tablas más grandes. Estimación de la capacidad. Las FPGAs tienen 3 recursos: lógica, I/O y ruteo. El diseño debe caber en todos los parámetros. 15

16 Diseño con SRAM-FPGA (3) Proceso de Implementación: Definición del diseño inicial (vhdl, esquemas). Optimización lógica (de las ecuaciones). Mapeo tecnologico (adapta ecuaciones a tecnología). Ubicación (asigna la ubicación física a las ecuaciones). Ruteo (conecta todas las ecuaciones). Programación de la unidad (genera configuración). 16

17 Diseño con SRAM-FPGA (4) Programación de una SRAM -FPGA: Configuración. Carga en serie para minimizar el número de pines. Conexión en cadena para la configuración de varias FPGAs. Relectura. Se permite la lectura del contenido completo del chip, incluido el contenido de los FF internos. Seguridad. Bit para evitar la re-ingeniería del diseño. 17

18 FPGAs Disponibles en el Mercado Por las formas de programación: Static RAM, Antifusibles y (E)EPROM. 18

19 Fin 19

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