Sin título de diapositiva - Agrupación 15 de Junio – MNR

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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 ?
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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).
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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”.
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4
Dispositivos ASIC: Clasificación.
ASIC
Parcialmente
Dedicados
Gate
Array
Standard
Cell
Totalmente
Dedicados
SPLD
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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
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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
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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
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8
FPGA: ¿ Cómo cambiar la lógica ?
LUT´s
PLD convencionales
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FPGA
9
FPGA : Ejemplo de bloque lógico configurable.
LUT´s
Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.
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10
FPGA: Ejemplo de conexiones programables
Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.
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11
FPGA : Ejemplo de bloque de I/O
Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.
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12
Evolución de las Arquitecturas
Virtex II y Virtex II Pro
Spartan 2 y Virtex
Fuente: Publicaciones de la empresa Xilinx.
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13
Arquitectura modular orientada a las aplicaciones:
Fuente: Publicaciones de la empresa Xilinx. FPGA - R. Corti
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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.
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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
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Otras características
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Tecnologías de fabricación
SRAM
ANTIFUSIBLES
Flash
EPROM
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Comparación de las tecnologías de fabricación
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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
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19
ASIC Full Custom versus FPGA
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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
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FPGA´s: Fases de desarrollo EDA
Ingreso del diseño
Netlist funcional
Simulación
funcional
Síntesis
Netlist + Restricciones
Implementación
Bitstream
Simulación temporal
Programación del dispositivo
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Fases de desarrollo EDA: Procesos
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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.
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Ingreso del diseño con esquemáticos:
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25
Simulación comportamental del diseño
Depuración!!
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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.
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Placa XSA-50 - Conexiones externas
El diseño reside
en la FPGA !!
Verificación de su funcionamiento
Fuente: XSA- Manual del usuario.
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Ley de Moore para FPGA
A medida que crece el nº de transistores el costo baja.
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29
FPGA: Tendencias
Fuente: Publicaciones de la empresa Actel.
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30
FPGA: Tendencias
Fuente: Publicaciones de la empresa Actel.
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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.
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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
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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
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