FPGAs - La Salle

FPGAs – 1.0
Jordi Albó Canals : [email protected]
EALS – Dpt. Electrònica
OBJETIVOS
- Empezar la línea de trabajo
- Conocer el estado del arte sobre FPGAs
- Conseguir una documentación correcta para futuros trabajos
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE MERCADO
CONCLUSIONES Y BIBLIOGRAFÍA
INTRODUCCIÓN
DISEÑO
Diseño de una aplicación:
INTRODUCCIÓN
Programa Software
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
Lógica programable: FPGAs
y MPGAs
Células estándar: ASICs
Complejidad
Coste
Prestaciones
ESTUDIO DE
MERCADO
Flexibilidad
LA FPGA
Full-Custom
1
PLATAFORMA HW
La selección de una plataforma de HW tiene que responder a la siguiente
pregunta:
INTRODUCCIÓN
Cómo puedo conseguir las prestaciones deseadas al menor coste y que cumpla los
requerimientos específicos?
Coste:
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
Requerimientos específicos:
-Producción de la unidad
-Costes de Ingeniería no recurrente
-Costes implícitos en una salida tarde al mercado
-Tamaño del sistema
-Consumo del producto
-Fiabilidad y mantenimiento
Según tamaño de la información a procesar:
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-Microcontroladores
-Pequeñas CPUs
-DSPs
-CPUs i Microcontroladores
de gama alta
-Dispositivos a medida:
-FPGA
-ASIC
2
EVOLUCIÓN
Evolución de los dispositivos programables:
INTRODUCCIÓN
PROM
PLD
PLA
CPLD
FPGA
LA FPGA
1.95X
1.97X
1.98X
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
3
CPLDs
Estructura de una CPLD
Bloque
Lógico
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
Bloque
Lógico
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
Matriz
Conmutación
Bloque
Lógico
Bloque
Lógico
Cada uno de los bloques lógicos equivale a una PLD
&
'
Retardos menores y más previsibles que las FPGA’s
Menos flexibilidad
4
ASICs
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Circuito integrado con tareas predefinidas
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
&
- Alta velocidad
- Menor consumo
- Menor tamaño
- Mejor protección del diseño
- Mejor control de las entradas y salidas
'
- Alta coste para producciones reducidas
- Coste de NRE muy elevado
- Largo tiempo de producción
- Una vez hecho no se puede cambiar
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
5
Tipos de ASICs
Full-Custom ASIC: Cada pista debe estar definida
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
&
- Mejores prestaciones.
- Menor tamaño.
'
- Mayor tiempo de diseño ( slow time to market ).
- Más complejo.
- Mayor riesgo de fallo
Voltages elevados, procesado analógico, dispositivos de comunicaciones
digitales/analógicos y, transductores y sensores…
Semi-Custom ASIC: Intentan minimizar los aspectos negativos del Full-Custom
Get-Array ASIC:Arrays continuos de trts n y p- Dos tipos: Channelled y channelless
Standard-Cell-Based ASIC: Bloques lógicos pre-definidos
6
FPGAs
Por qué un FPGA?
- Buen compromiso coste-prestaciones. Las ASIC son más caras.
INTRODUCCIÓN
- Tiempo de diseño corto: Time to market
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
- Coste de realización bajo: Bueno para prototipos
Los años de una FPGA?
1 año de un perro equivale a 7 de una persona
1 año de una FPGA equivale a 15 de una persona
7
LA FPGA
PARTES DE UNA FPGA
- Array de bloques lógicos configurados mediante software
- Bloques de E/S que rodean los bloques lógicos
INTRODUCCIÓN
- Interconexiones programables que enlazan los dos bloques anteriores
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
8
TIPOS DE FPGA
MATRIZ SIMÉTRICA
INTRODUCCIÓN
Interconexión
LA FPGA
Bloque lógico
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
9
TIPOS DE FPGA
BASADA EN CANALES
INTRODUCCIÓN
Canal de interconexión
LA FPGA
Bloque lógico
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
10
TIPOS DE FPGA
PLD GERÁRQUICO
INTRODUCCIÓN
Interconexiones
LA FPGA
Bloque PLD
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
11
TIPOS DE FPGA
MAR DE PUERTAS
INTRODUCCIÓN
Interconexiones sobre bloques lógicos
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
12
TIPOS DE FPGA
SEGÚN BLOQUE LÓGICO
Mux-based:
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
13
TIPOS DE FPGA
SEGÚN BLOQUE LÓGICO
Lut-based: Las entradas se utilizan para indexar una tabla de la verdad
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
14
PROGRAMACIÓN DE LA FPGA
FORMAS DE PROGRAMACIÓN:
-SRAM:
INTRODUCCIÓN
Cada vez que se conecta se configuran las conexiones.
Rápida reconfiguración del sistema.
Tamaño del chip muy elevado debido a la RAM.
Puede ser reprogramada ilimitádamente.
Necesita encriptación para evitar read back
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-Antifuse: Se mantiene en estado de altaimpedancia, hasta que
se programa en estado de baja impedancia.
Sólo se puede programar una vez
Más económica
Inmune a las radiaciones
-EPROM,E2PROM:
FLASH
Parecido al método de memorias.
La configuración se guarda en el
dispositivo.Encendido rápido.
Multi-bit-key.
-HÍBRIDO FLASH-SRAM
15
PROGRAMACIÓN DE LA FPGA
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
16
HDLs
HARDWARE DESCRIPTION LENGUAGE:
Lenguage de programación para HW
INTRODUCCIÓN
Describir mediante texto el comportamiento y la estructura del circuito
Notaciones explícitas para tiempo y concurrencia
LA FPGA
Los progrmas que describen la conectividad de un circuito se llaman netlist (EDIF –
Electronic Data Interchange Format)
ESTUDIO DE
MERCADO
-VHDL : Europa, Japón y la mayoria de universidades del mundo
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-Verilog : Silicon Valley
-ABEL (Advanced Boolean Equation Lenguage)
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ESTUDIO DE MERCADO
EMPRESAS QUE DISEÑAN FPGAs
Achronix
http://achronix.com/
Actel
http://www.actel.com/
Agere
http://www.agere.com/
Altera
http://www.altera.com/
Atmel
http://www.atmel.com/
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
Cypress
http://www.cypress.com/
18
EMPRESAS QUE DISEÑAN FPGAs
Lattice
http://www.latticesemi.com/
QuickLogic
http://www.quicklogic.com/
Xilinx
http://www.xilinx.com/
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
19
MERCADO DE LAS FPGAs
Finales del 2005
Lideres del Mercado (dúopolio):
INTRODUCCIÓN
Xilinx
Virtex-4
Spartan-3
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
Altera
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
2.006
Statrix II
90nm
Cyclone II
Low cost
High-volume
Statrix III
65nm
Virtex-5
65nm
20
MERCADO DE LAS FPGAs
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
21
MERCADO DE LAS FPGAs
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
22
MERCADO DE LAS FPGAs
INTRODUCCIÓN
Actel
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
Lattice
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
QuickLogic
Axcelerator
Antifuse-bajo coste
Axcelerator
Flash
Fusion Line
Compatibilidad analógica
Low-cost FPGAs
ASSPs
Aplicaciones para wireless
PolarPro
Ultra-low-power FPGAs
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EMPRESAS 2.006
FPGAs a velocidad de Ghz
Mathstar
http://www.mathstar.com/
Líder en FPOA
INTRODUCCIÓN
Tabula
http://www.tabula.com/
LA FPGA
Chips de propósitos generales
Ambric
RPAs
http://www.ambric.com/
Stretch
ESTUDIO DE
MERCADO
http://www.stretchinc.com/
Velogix
http://www.velogix.com/
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
FPGA + Procesador
Desarrollo de FPGAs de altas prestaciones
Cradle
MDSPs
http://www.cradle.com/
ElementCXI
http://www.elementcxi.com/
Achronix
http://achronix.com/
Tecnologia CXI
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ULTRA-FPGAs
EXTREME-FPGAs
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FPOA
ARQUITECTURA
Funciona mediante objetos silicon.
INTRODUCCIÓN
Array: DataPath(16bits)-ControlPath(5bits)
LA FPGA
Dos áreas: El nucleo y la periferia
Objetos del núcleo hasta 1Ghz
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-ALU (Arithmetic Logic Unit)
-MAC (Multiply Acumulator)
-RF (Register File)
Objetos de la periferia para: RAM
I/O
-RAM Interna
-Comunicación con RAM externa
-Propósito general I/O
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FPOA
ARQUITECTURA
Comunicación entre objetos Silicon de dos formas:
INTRODUCCIÓN
1-Nearest Neighbor Connection
Latencia 0.
2-Party Line Connection
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
Permite connectividad Pipeline.
1 clk cycle → 3 S.O. (1Ghz)
-S.O.
cambian
los
patrones
de
comunicación con base de tiempo=clk.
-Memoria
para
8
instrucciones
(control/comunicación) por ALU.
-Las instrucciones se cargan al encender
i pueden ser modificadas por el host
system.
-El ControlPath guia las instrucciones
mientras hay envío de datos a través del
DataPath(16bits).
-Las instrucciones unen el control y el
data Path
26
FPOA
ARQUITECTURA
Inicialización y control de la FPOA
INTRODUCCIÓN
Hay tres interfaces involucradas:
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
1-El controlador de la PROM supervisa el proceso de carga y
inicialización de la FPOA
2-El controlador de JTAG da una alternativa para cargar la
configuración de la FPOA i proporciona acceso a memoria tal como
IRAM, para realizar debugging.
3-El objeto de control puede ser utilizado para para el clock del
núcleo.Contiene un PLL, que multiplica un clock externo para generar
el clock del núcleo
27
RPA
QUÉ ES?
Reconfigurable Processing Arrays
Multi-core
INTRODUCCIÓN
-Pocos prcesadores
-Memoria compartida
-Bus compartido
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
TIPOS DE RPAs
RPAs
-Centenares de unidades de procesamiento
punto a punto: procesadores completos,
ALUs,máquinas
de
estado,
memorias
distribuidas…
-Reconfigurabilidad estática y dinámica de las
conexiones.
SIMD
MIMD
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
LAS RPAs EN EL MERCADO
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RPA
SIMD (Simple Instruction Multiple Data)
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
-Un único flujo o pocos de instrucciones
-Útil para filtros simples de DSPs
-Procesado de vectores.
-Procesado de vídeo (H.264) en aplicaciones de red
ESTUDIO DE
MERCADO
MIMD (Multiple Instruction Multiple Data)
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-Cada procesador tiene su flujo paralelo de sus datos
-Útil para diversidad de estructuras de datos, no sólo vectores, de
distintos tipos y formas
29
SOLUCIÓN STRETCH
COMBINACIÓN DE FPGA + PROCESADOR
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
VIDEO
ESTUDIO DE
MERCADO
WIRELESS
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
BIOMETRICS
30
SOLUCIÓN CRADLE
MULTI-CORE DSPs
Mercado Multimedia:
INTRODUCCIÓN
Otros productos:
Cell-based ASIC:
-Coste de desarrollo elevado
-Diseños extensos y complejos
Structured ASIC:
-Más tamaño → más coste
-Requerimientos para soporte de memorias complicados
-Difícil de pre-definir partes principales del ASIC
estructurado de forma efectiva
FPGA:
-Coste elevado por unidad
-Inviable enlazar características-tamaño-disipación de
energía
DSPs de propósito general:
-4 equivalen a un MDSP
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-Optimización de coste
-Alta versatibilidad
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COMPARATIVA KITS
EVALUACIÓN
- XILINX HW-V5-ML501-UNI-G
V5, ML501 EVAL PLATFORM, UNI, ROHS- 995$
- XILINX: DO-SP3E1600E-DK-UNI-G
INTRODUCCIÓN
595$
- ALTERA: NIOS II KIT W/STRATIX II EP2S60N
LA FPGA
995$
- ALTERA: NIOS II KIT W/CYCLONE II EP2C35N
ESTUDIO DE
MERCADO
995$
-Actel: Axcelerator Starter kit
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
AX250-PQ208 ANTIFUSE FPGA – 500Mhz internal operation
249$ a 695$
-Actel: Fusion starter kit
EL kit incluye: AFS600-FG256 soldado en la placa de prueba,
FlashPro3, Libero IDE Gold, Guia de Usuario, cable de
programación, fuente de alimentación i esquemas. 1330$
32
CONCLUSIONES Y
BIBLIOGRAFÍA
CONCLUSIONES
- Generalización del término FPGA (Símil con la tecnología 4G)
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
- El modelo de FPGA depende de: Aplicación, formato de la
información a tratar y las especificaciones técnicas.
- El procedimiento de diseño debe ser:
- HDL.
- Simulación (diagrama de tiempos, ocupación,
consumo…).
- Prueba en una placa de avaluación.
- Implementación de una placa específica.
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CONCLUSIONES
INTRODUCCIÓN
LA FPGA
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
-El tipo de dispositivos que domina el mercado tienen:
-Bloque lógico LUT (3,4 entradas)
-Configuración via SRAM
-Arquitectura tipo matriz simétrica
-Razones:
-LUTs simplifican las herramientas de síntesis lógicas
-Las SRAM permiten innumerables reconfiguraciones
-Matriz simétrica tiene mayores recursos de conexionado
-A nivel industrial la solución de Actel tiene mucho mercado
-Principales fabricantes:
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BIBLIOGRAFÍA
Libros
- [Wiley] Synthesis of Arithmetic Circuits - FPGA, ASIC and Embedded Systems (2006) DDU
INTRODUCCIÓN
- ASIC FPGA.Verification-Guide.to.Component.Modeling - 2005
- FPGA Express VHDL Reference Manual, May 1999
LA FPGA
- The Design Warrior’s Guide to FPGAs, Clive Maxfield
isbn: 0750676043
- Filed-Programmable Gate Arrays –S. D.Brown, R.J.Francis,J. Rose. Z.G.Vranesic.Klwer Academic Publishers
ESTUDIO DE
MERCADO
CONCLUSIONES
Y BIBLIOGRAFÍA
Artículos
- Electronics - Digital - CPLD and FPGA - B. Zeilman - An Introduction to FPGA Design
- ASIC et composants à réseaux logiques programmables:PAL,PLD,CPLD,FPGA Denis
Rebasté, IUFM d’AIX-MARSEILLE
- Tale of tools, Review 2005, FPGA and STRUCTURED ASIC JOURNAL
- EE Times: Startup defines next-generation FPGA,David Bursky 18/09/2006
- How Programmable Logic Works, Michel Barr, 1999
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