Ing. Diego Barragán Guerrero http://www.matpic.com Introducción a FPGA Ing. Diego Barragán Guerrero http://www.matpic.com

¿Qué es una FPGA? Siglas de Field Programmable Gate Array. Es un dispositivo reprogramable, que permite implementar diversos circuitos digitales en él. Basadas generalmente en memorias RAM.

Por qué usar las FPGA? Hay aplicaciones en las cuales usar un microcontrolador no es suficiente, o usar una FPGA posee costos comparables (por ejemplo, codificar y decodificar en MPEG). Actualmente hay modelos que incluyen elementos adicionales en el mismo chip. La Virtex 4 de Xilinx posee uno o más PowerPC embebidos en el chip.

Tipos de dispositivos FPGA – Field Programable Gate Array. „GPP – General purpose processors. „DSP – Digital Signal Processor. „ASIC – Application Specific IntegratedCircuit. Integrated.

Comparación entre dispositivos Desempeño Costo Potencia Flexibilidad Esfuerzo de diseño ASIC Alto Baja Bajo DSP Medio Media GPP Alta FPGA

Ventajas de las FPGA Son dispositivos reconfigurables. Bajo costo respecto a los ASIC. Los circuitos se “ejecutan” más rápido que en otros dispositivos reprogramables. Al ser circuitos digitales, la “ejecución” de cada bloque es en paralelo, no así en un microcontrolador. Son útiles para realizar prototipos que luego serán llevados a ASIC si es necesario.

Desventajas de las FPGA Al estar basadas en RAM, pierden su configuración al suprimir la energía (hay soluciones a ello). Poseen retardos de propagación mayores a los existentes en ASIC o standard cells. Un procesador de alta velocidad (~GHz) se ejecuta mucho más rápido en ASIC que en una FPGA.

Fabricantes de FPGAs Xilinx. Altera. Atmel. Actel. Lattice Semiconductor. Cypress Semiconductor. Achronix Semiconductor. QuickLogic .

Arquitectura de una FPGA Una FPGA posee al menos 3 bloques: CLB: Configurable-logic blocks, donde se implementan los circuitos lógicos. IOB: Input-output block, donde se conectan las configuraciones internas con pines de entrada y salida. DCM: Digital Clock Managers, permiten entregar señales de reloj a toda la FPGA.

Arquitectura de una FPGA

Slice El elemento esencial es el slice. En él se pueden implementar tanto circuitos combinacionales como secuenciales. Una slice es la base de las CLB. En esencia es un bloque de look-up tables enlazadas con una salida que puede ser registrada (flip-flop) o directa, pudiendo implementarse diversas funciones lógicas.

Look up Table Lógica combinatoria está almacenada em LUTs. Conocida también como Generadora de funciones. Capacidad limitada por el número de entradas e no por la complexidad. El atraso a través de uma LUT es constante.

RAM distribuída LUTs son también utilizadas como memorias. Flexibilidad: RAM, ROM, o shift register. Rápido tiempo de acceso. Aplicaciones: Shift register. Aritmética distribuida. Registradores. Pequeñas FIFO. Líneas de atraso.

Unidades de multiplicación Multiplicadores embarcados de 18 x 18 bit. Cantidad varía dependiendo de la FPGA: Virtex II: hasta 168 Virtex II pro: hasta 556 Spartan 3E: hasta 20 Operaciones em complemento de 2 com signo. Operandos de 4 a 18 bits.

Herramientas de programación VHDL (ANSI/IEEE 1076-1993) Verilog (IEEE 1364-1995) SystemC (IEEE 1666-2005) System Generator (Xilinx) DSP Builder (Altera)

VHDL

Verilog

SystemC

System Generator (Xilinx)

DSP Builder (Altera)

Referencias: Volnei A. Pedroni. 2004. Circuit Design with VHDL. MIT Press, Cambridge, MA, USA. Maxinez, D.G., Alcalá, J. 2003. VHDL: el arte de programar sistemas digitales. Compañía Editorial Continental.