Clase 1 - Introducción a Los FPGA

5/20/2018 Clase 1 - Introduccin a Los FPGA

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UNMSM - FIE

Diseo Digital

Introduccin a losFPGAs

Ing. Alfredo Granados Ly


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Procesador Genrico Vs ASIC

ASIC: Circuito integrado especialmente diseado

para una aplicacin especfica. No es programable.

pierde generalidadgana especializacin

Caractersticas:

Ausencia de los ciclos de Fetch/Decode (ms rpido).

Puede tener cualquier tipo de Hardware que aumente

la potencia de clculo (rendimiento). No permite realizar cambios una vez diseados (no es

flexible)


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La computacin reconfigurable, permite que el

hardware se adapte a una necesidad especifica

cambiando total o parcialmente el dispositivo.



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La computacin reconfigurable, permite que el

hardware se adapte a una necesidad especifica

cambiando total o parcialmente el dispositivo.

La arquitectura se adapta al algoritmo

En la mayora de las aplicaciones actuales de

cmputo reconfigurable se utilizan dispositivosprogramables de alta densidad basados en

tecnologa SRAM: los FPGA.



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Hardware

Reconfigurable

ASIC

Procesador de

Seales Programable

Procesador de

Propsito General

Programabilid

ad/Consumo

Especializacin / Rendimiento


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Dispositivos FPGAs

Las FPGAs (Arreglo de compuertas programable

en campo) contienen bloques lgicos (CLBs)

relativamente independientes entre s. Estos

bloques lgicos pueden interconectarse medianteconexiones programables para formar circuitos

mayores e individualmente son ms pequeos que

un PLD. Los CLBsencuentran distribuidos a travs

de todo el chip. Entre los principales fabricantes deFPGAs tenemos: Xilinx, Pluslogic, Cypress, Actel.


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Dispositivos FPGAs

La primera FPGA la introdujo Xilinx en el ao

1985. La programacin de las FPGAs de Xilinx

basadas en RAM esttica es diferente a la

programacin de los PLDs. Cada vez que seaplica la tensin de alimentacin, se reprograma

con la informacin que lee desde una PROM de

configuracin externa a la FPGA. Una FPGA

basada en SRAM (RAM esttica) admite unnmero ilimitado de reprogramaciones.



Dispositivos FPGAs

El sexto miembro de la familia Spartan II ofrece

densidades en el rango de 15,000 hasta 250,000

compuertas lgicas, soportando frecuencias de

trabajo de hasta 350MHz. Ofreciendo ademsbloques de SRAM (de 4K bits c/u).



Dispositivos FPGAs

FPGA de Xilinx



Dispositivos FPGAs

Bloque Lgico Configurable (CLB)



Dispositivos FPGAs

Matriz de Interconexin Programable



Dispositivos FPGAs



Dispositivos FPGAs

VIRTEX

II - PRO



Dispositivos FPGAs

El FPGA orientado al Procesamiento de Seales



Sntesis de Sistemas Digitales con

VHDL

VHDL es un lenguaje de programacin orientado al

modelamiento y sntesis de Sistemas Digitales.




VHDL

S ynt hesi ze

N e

our ce o e

Map, P l ace & R out e

B i

F P G A

G ener at e B i t st r eam

D ow nl oad and Test

e n t it y le d d c d is

p o r t ( d : in s t d _ lo g ic _ v e c t o r ( 3 d o w n t o 0 ) ;

s : o u t s t d _ lo g ic _ v e c t o r ( 6 d o w n t o 0 ) ; ) ;

e n d ;

a r c h it e c t u r e le d d c d _ a r c h o f le d d c d is

b e g in s < = " 1 1 1 0 1 1 1 " w h e n d = " 0 0 0 0 " e ls e

" 0 0 1 0 0 1 0 " w h e n d = " 0 0 0 1 " e ls e " 1 1 0 1 1 0 1 " ;

e n d le d d c d _ a r c h ;

1 0 1 0 1 0 0 1

0 1 0 1 1 0 1 0

0 1 0 1 1 0 1 0

0 1 0 1 0 1 0 0

1 0 1 0 1 0 1 0

1 1 0 1 1 0 1 1

1 1 0 1 0 0 1 0

0 0 1 0 1 1 0 0

0 1 0 1 0 1 1 0

0 1 1 0 0 1 1 0

1 0 1 0 1 0 1 0

c o n f ig u r a b lef u n c t io n b lo c k

r o u t in gr e s o u r c e s

lo o k - u p t a b le




VHDL



Arquitectura de Sistemas Configurables

Los Sistemas Configurables no slo estn

formados por un FPGA, sino que suelen formar

parte de los sistemas computacionales ms

complejos, donde la ejecucin de las diversastareas es distribuida sobre la arquitectura ms

adecuada. Suele ser habitual tambin la presencia

de un elemento controlador, o incluso procesador,

que asuma las tareas de control y gestin de lasdiversas tareas que se pueden implementar en los

dispositivos lgicos programables.



Se pueden clasificar de acuerdo al grado de

acoplamiento que existe entre el mdulo

configurable y el elemento controlador

procesador:Unidades Funcionales Configurables.

Co-Procesadores.

Unidades de Procesamiento Reconfigurables.Unidades de Procesamiento Externas.




Unidades Funcionales Configurables.


Alto grado de acoplamiento entre el CPU y RC.

RC implementa las UF a medida.

CPU y RC comparten el fichero de registros.



Unidades Funcionales Configurables.




Co-Procesadores.


Alto acoplamiento entre la CPU y RC.

Capaz de realizar clculos sin supervisin del CPU.

La CPU y RC no comparten el fichero de registros.



Unidades de procesamiento reconfigurable yexterna




Usos de los FPGAs

Cualquier sistema que requiera de un componente

digital (Era digital del consumo electrnico).



Usos de los FPGAs

Interviene en los diseos en los que se involucranotros componentes digitales como: Microprocesadores.

Memorias. Microcontroladores.

Se desea tener un rendimiento superior al de los

Microprocesadores DSP.



Usos de los FPGAs

Aplicaciones Acadmicas:

Implementacin de algoritmos para resolver

problemas clsicos:

Algoritmo Gentico.

Algoritmo Neuronal.

Redes Neuronales.



Usos de los FPGAs

Aplicaciones Acadmicas:

Procesamiento de imgenes.

Sistemas de Visin.

Aplicaciones Comerciales:

Comunicaciones: Routers, Modems.

Redes inalmbricas: Tarjetas NIC, Puntos de acceso,

Puentes.Aplicaciones de Automatizacin y Control:

Sistemas de automatizacin en ambientes demanufactura.


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Usos de los FPGAs

Aplicaciones de Automatizacin y Control:

Controlador de motores DC y de paso.

Aplicaciones Aeroespaciales.

Satlite FedSat: Incorpora un FPGA que esreconfigurado desde la Tierra para ejecutar diferentesfunciones y aplicaciones.

Otras aplicaciones:

Reproductores MP3, DVD. Impresoras, Fax, Fotocopiadores digitales.

Juegos de vdeo.


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Usos de los FPGAs

Sistema en un chip (SoC): advenimiento de nuevas aplicaciones

como HDTV y 3G Wireless: microprocesador, memorias y

perifricos integrados en un solo chip.


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Usos de los FPGAs


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Usos de los FPGAs


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Usos de los FPGAs

TV digital


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Usos de los FPGAs

Set-Top Box


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Usos de los FPGAs

Telfonodevdeodigital


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Usos de los FPGAsConsola de Juego


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Usos de los FPGAsReproductor MP3


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Usos de los FPGAsPDA


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Usos de los FPGAsReproductor DVD


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Usos de los FPGAsPC


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Usos de los FPGAsCmara Digital


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Usos de los FPGAsSistema de Seguridad


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Usos de los FPGAs


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Conclusiones:

Los Sistemas de Computo Reconfigurable se basan enprocesadores combinados con FPGA dando al sistema: Versatilidad de las soluciones programadas.

Rendimiento debido al hardware dedicado.

Se utiliza para implementar algoritmos de clculointensivo.

Consiguen un rendimiento de supercomputadores paralos sistemas comunes.

Conclusiones


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Conclusiones:

Es aprovechado donde:

Se tienen aplicaciones regulares: que necesitan ejecutar las

mismas operaciones de manera repetida. Alta concurrencia: debido a que se pueden ejecutar de

manera simultnea muchas operaciones.

Datos de granularidad-fina, operandos con pequea

cantidad de datos que se puede aprovechar en el FPGA.

Conclusiones


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Conclusiones

Soluciones ASIC no conocen los requerimientos del

mercado de consumo

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