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Sin título de diapositiva - Agrupación 15 de Junio – MNR
DISPOSITIVOS DE LÓGICA PROGRAMABLES EN CAMPO (FPGA) DIGITAL II – ECA Departamento de Sistemas e Informática Escuela de Ingeniería Electrónica Rosa Corti 1 Preguntas a responder sobre FPGA ¿ Qué innovación introducen ? ¿ Cuándo son una opción ? ¿ Cómo es la metodología de trabajo ? FPGA - R. Corti 2 Electrónica e Informática Desde 1950 la electrónica tuvo avance muy acelerado Dos hechos fundamentales Crecimiento exponencial en los niveles de integración Nuevos dispositivos y arquitecturas. Rápida evolución de las herramientas informáticas de apoyo al diseño (EDA). FPGA - R. Corti Nuevas metodologías y herramientas de diseño 3 Dispositivos ASIC Dispositivo dedicado a una única función, o un número limitado de funciones, completamente diseñado por el usuario (Layout). El fabricante ocupa el rol de “fundidor de silicio”. FPGA - R. Corti 4 Dispositivos ASIC: Clasificación. ASIC Parcialmente Dedicados Gate Array Standard Cell Totalmente Dedicados SPLD FPGA - R. Corti Lógica Programable CPLD FPGA 5 Dispositivos de lógica programable. Mayor flexibilidad Personalización independiente de la fábrica Que el usuario personalice un dispositivo standard. Entradas Los dispositivos son de complejidad diversa DESVENTAJA Se desperdician recursos de pastilla Salidas FPGA - R. Corti 6 FPGA: ¿ Cuál es la innovación introducida ?? Arquitectura extremadamente flexible de tecnología SRAM Reprogramación simple y rápida en circuito Bloques lógicos programables (CLB, LE) Interconexión programable Bloques I/O programables FPGA - R. Corti 7 Programación o configuración en campo del dispositivo µP FPGA Se cambian las instrucciones Se cambian las conexiones y las funciones lógicas Cambia el Software Cambia el Hardware FPGA - R. Corti 8 FPGA: ¿ Cómo cambiar la lógica ? LUT´s PLD convencionales FPGA - R. Corti FPGA 9 FPGA : Ejemplo de bloque lógico configurable. LUT´s Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx. FPGA - R. Corti 10 FPGA: Ejemplo de conexiones programables Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx. FPGA - R. Corti 11 FPGA : Ejemplo de bloque de I/O Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx. FPGA - R. Corti 12 Evolución de las Arquitecturas Virtex II y Virtex II Pro Spartan 2 y Virtex Fuente: Publicaciones de la empresa Xilinx. FPGA - R. Corti 13 Arquitectura modular orientada a las aplicaciones: Fuente: Publicaciones de la empresa Xilinx. FPGA - R. Corti 14 FPGA: Nuevos encapsulados Permiten una conexión muy versátil de I/O Se disponen de más pines para el usuario Mejora la disipación térmica En nuestro país aún no hay tecnología para montar estos CI. FPGA - R. Corti 15 FPGA´s basadas en SRAM: Ideas fundamentales 1. Dispositivo de lógica programable estándar muy flexible 2. Personalizable por el usuario con ambientes EDA 3. Arquitectura basada en SRAM 4. Volátiles programación en campo Pierden su configuración al cesar la energía Al iniciar el sistema, se debe restaurar la configuración El diseño es accesible, tiene baja confidencialidad 5. Otras tecnologías de fabricación FPGA - R. Corti Otras características 16 Tecnologías de fabricación SRAM ANTIFUSIBLES Flash EPROM FPGA - R. Corti 17 Comparación de las tecnologías de fabricación FPGA - R. Corti 18 Qué ASIC utilizar? Cuándo elegir FPGA ?? Performance (área, frecuencia de trabajo, consumo) Tiempo de desarrollo Cantidad de dispositivos Funcionalidad madura o cambiante FPGA para lograr un diseño maduro Volcado a una ASIC de tipo Full-Custom FPGA - R. Corti 19 ASIC Full Custom versus FPGA FPGA - R. Corti 20 FPGA´s: ¿Cómo se usan? ? Su configuración se define, simula, corrige e implementa en ambientes EDA integrados 9 Introducen la simulación como un elemento fundamental. Diseño Simulación Prototipo 9 Permiten distintas metodologías y flujos de diseño 9 Permiten modularización y reuso a partir de bibliotecas FPGA - R. Corti 21 FPGA´s: Fases de desarrollo EDA Ingreso del diseño Netlist funcional Simulación funcional Síntesis Netlist + Restricciones Implementación Bitstream Simulación temporal Programación del dispositivo FPGA - R. Corti 22 Fases de desarrollo EDA: Procesos FPGA - R. Corti 23 Ingreso del diseño Otras asignaturas Digital II Captura de Esquemáticos Editores Gráficos Bibliotecas de bloques Personalización de funcionalidad Complejidad hasta 6000 puertas Lenguajes HDL Descripciones de alto nivel Edición rápida y sencilla Diseños más complejos Las herramientas EDA permiten modularizar el sistema y combinar distintos estilos de descripción. FPGA - R. Corti 24 Ingreso del diseño con esquemáticos: FPGA - R. Corti 25 Simulación comportamental del diseño Depuración!! FPGA - R. Corti 26 Programación en campo del dispositivo El archivo bitstream obtenido permite configurar la FPGA Cómo?? FPGA configurables en campo y volátiles. Es posible bajar la configuración desde una PC Placa académica XSA - 50 A través del puerto paralelo utilizando herramientas de software y recursos de la placa. Existen otras formas de programar una FPGA. FPGA - R. Corti 27 Placa XSA-50 - Conexiones externas El diseño reside en la FPGA !! Verificación de su funcionamiento Fuente: XSA- Manual del usuario. FPGA - R. Corti 28 Ley de Moore para FPGA A medida que crece el nº de transistores el costo baja. FPGA - R. Corti 29 FPGA: Tendencias Fuente: Publicaciones de la empresa Actel. FPGA - R. Corti 30 FPGA: Tendencias Fuente: Publicaciones de la empresa Actel. FPGA - R. Corti 31 Datos generales sobre FPGA´s 9 Guitarras Gibson – sonido digital 9 Vehículos de exploración de Marte (NASA) Algunas aplicaciones 9 Módulo de control de Williams F1 9 Misiles Tomahawk Algunos Fabricantes 9 Xilinx 9 Altera 9 Atmel 9 Lattice 9 Cypress 9 Actel 9 Quicklogic Costo de los dispositivos Desde menos de 10 dólares a varios cientos, dependiendo de las características, aún en la misma familia de dispositivos. FPGA - R. Corti 32 Conclusiones Microelectrónica HW Reconfigurable Informática Flexibles y reprogramables en campo. FPGA Personalizables por el usuario con herramientas EDA Bajo tiempo de desarrollo y tolerancia a fallas Ideales para muchas aplicaciones Fundamentales para I+D FPGA - R. Corti 33 Bibliografía Fundamentos del diseño de CI digitales – M.I.Schiavón – UNR Editora – Capítulos 1, 2 y 5. Diseño digital – J. Wakerly – Capítulo 10 (dispositivos programables CPLD y FPGA). Programmable_logic_design_handbook – Xilinx – Introducción (evolución de los dispositivos) y herramienta Webpack FPGA - R. Corti 34
