Программируемая пользователем вентильная матрица
Полевой программируемый массив затворов (часто укорачиваемый до FPGA) является электронным компонентом, используемым для построения реконфигурируемых цифровых схем. Это означает, что ПЛИС отличается от логических затворов тем, что логические затворы имеют фиксированную функцию. В отличие от ППВМ имеет неопределенную функцию на момент изготовления. Прежде чем ППВМ можно будет использовать в цепи, она должна быть запрограммирована, т.е. перенастроена.
ПЛИС - это интегральные схемы в категории программируемых логических устройств или ПЛИС. ПЛИС являются самыми высокопроизводительными, самыми гибкими, а также самыми дорогими из типов ПЛИС. Недостатком ПЛИС по сравнению с другими ПЛИС является то, что они не запоминают свою конструкцию при отключении питания. Поэтому ППВМ нуждаются в отдельном чипе памяти для конфигурирования, который содержит конструкцию ППВМ. Когда питание передается обратно в ППВМ, фиксированная часть ППВМ считывает конфигурацию с микросхемы памяти конфигурации. После конфигурирования ППВМ она сможет выполнять функции, указанные в конструкции.
ППВМ отличается от микропроцессора или микроконтроллера. ППВМ в своей базовой форме не может работать с программным обеспечением. Только когда ППВМ получает конфигурацию, содержащую процессорную архитектуру, она имеет возможность запускать программное обеспечение.
Производители ППВМ предоставляют инженерное программное обеспечение для Windows, а иногда и Linux, для разработки проектов для ППВМ. Проектирование обычно пишется в читаемых человеком компьютерных файлах, называемых Язык описания оборудования (Hardware Description Language - HDL). Наиболее популярными являются VHDL и Verilog. Языки описания оборудования в значительной степени сопоставимы с языками программирования. Но целью HDL является проектирование цифровых логических схем, в то время как языки программирования проектируют программное обеспечение.
Инженерное программное обеспечение ППВМ должно преобразовывать абстрактный код HDL в логические элементы, доступные в выбранной ППВМ. Это называется логическим синтезом. Затем выполняется процесс размещения и маршрутизации логических элементов в ПЛИС. В результате получается битовый файл, который можно запрограммировать в ПЛИС или в память конфигурации. Обычно это делается с помощью USB-программиста, подключенного к JTAG-порту ПЛИС.
Поскольку ПЛИС является интегральной схемой, производитель ПЛИС может принять решение о добавлении других широко используемых компонентов интегральных схем. Эти стационарные компоненты называются жилами. Это, например, Ethernet-контроллеры или даже полная процессорная архитектура. Для различных сегментов рынка, таких как оборона, медицина, связь и робототехника, производитель ПЛИС пытается добавить наиболее ценный набор этих дополнительных ядер.
Внутренняя структура
ППВМ, как правило, построены на программируемых логических элементах и программируемых связях. Одним из строительных блоков логических элементов является программируемая поисковая таблица (LUT). LUT может быть запрограммирована на вывод любого значения, заданного входными значениями. Таким образом, LUT можно запрограммировать как любой тип логики с одинаковым количеством входов и выходов. Например, 2-входная, 1-выходная СВЧ может быть запрограммирована на эмуляцию логики 2-входной И, ИЛИ, NAND, NOR, XOR и т.д. Выход этого СПОИ может быть либо сохранен с помощью регистра, либо подключен к входу других СПОИ. Используя программируемый mux, ППВМ может быть запрограммирована на выбор зарегистрированного или незарегистрированного выхода. Эта комбинация СПОИ, регистра и mux является общей структурой логического элемента.
Для соединения этих логических элементов используются проходные транзисторы. Транзистор может быть запрограммирован как на подключение сигнала, так и на отказ, что дает ПЛИС возможность очень точно соединить логические элементы вместе. Например, если выход одного логического элемента будет подавать сигнал на вход другого, то транзистор может быть запрограммирован на соединение этих двух проводов вместе и соответствовать заданной логике. Между логическими элементами и проходными транзисторами компилятор может взять описание оборудования с HDL, создать логику для логических элементов и соединить их вместе, используя проходные транзисторы.
Вопросы и ответы
В: Что такое полевая программируемая матрица (FPGA)?
О: Массив полевых программируемых вентилей (FPGA) - это электронный компонент, используемый для создания реконфигурируемых цифровых схем. На момент изготовления он имеет неопределенную функцию и должен быть запрограммирован, или реконфигурирован, прежде чем его можно будет использовать в схеме.
В: Чем ПЛИС отличается от логических ворот?
О: ПЛИС отличается от логического затвора тем, что логический затвор имеет фиксированную функцию, а ПЛИС имеет неопределенную функцию на момент изготовления.
В: К какому типу интегральных схем относится ПЛИС?
О: FPGA - это интегральная схема, относящаяся к категории программируемых логических устройств или PLD.
В: Каковы некоторые недостатки использования ПЛИС по сравнению с другими ПЛИС?
О: Одним из недостатков использования ПЛИС по сравнению с другими ПЛИС является то, что они не запоминают свой дизайн при отключении питания, поэтому им требуется отдельная микросхема памяти конфигурации, которая хранит дизайн. Они также дороже, чем другие типы ПЛИС.
В: Как программировать ПЛИС?
О: Для программирования ПЛИС инженеры используют инженерное программное обеспечение для Windows или Linux для разработки проектов, написанных на языках описания аппаратуры, таких как VHDL и Verilog. Затем программное обеспечение переводит этот код в логические элементы, доступные на выбранных ПЛИС, и размещает их с помощью процессов размещения и маршрутизации, что создает битовый файл, который может быть запрограммирован либо в конфигурационной памяти, либо непосредственно в самой ПЛИС с помощью USB программатора, подключенного к ее порту JTAG.
В: Похожи ли микропроцессоры и микроконтроллеры на FGPA?
О: Нет, микропроцессоры и микроконтроллеры отличаются от FGPA тем, что в своей базовой форме они не могут выполнять программное обеспечение; только когда им задана конфигурация, содержащая архитектуру процессора, у них появляется такая возможность.
