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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

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Preguntas a responder sobre FPGA

¿ Qué innovación introducen ?

¿ Cuándo son una opción ?

¿ Cómo es la metodología de trabajo ?

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Electrónica e InformáticaDesde 1950 la electrónica tuvo avance muy acelerado

Dos hechosfundamentales

Crecimiento exponencial en los

niveles de integración

Rápida evolución de las herramientas informáticas de apoyo al diseño (EDA).

Nuevos dispositivos y arquitecturas.

Nuevas metodologías y herramientas de diseño

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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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Dispositivos ASIC: Clasificación.

ASIC

GateArray

ParcialmenteDedicados

LógicaProgramable

TotalmenteDedicados

Standard Cell SPLD CPLD FPGA

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Dispositivos de lógica programable.

Mayor flexibilidad

Que el usuario personalice un dispositivo standard.

Personalización independiente de la fábrica

Los dispositivos son de complejidad diversaEntradas

Salidas

Se desperdician recursos de pastilla

DESVENTAJA

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FPGA: ¿ Cuál es la innovación introducida ??

Arquitectura extremadamente flexible de tecnología SRAM

Reprogramación simple y rápida en circuito Bloques lógicos programables

(CLB, LE)

Bloques I/O programables

Interconexión programable

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Programación o configuración en campo del dispositivo

µP FPGA

Se cambian las conexiones y las funciones lógicasSe cambian las instrucciones

Cambia el Software Cambia el Hardware

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FPGA: ¿ Cómo cambiar la lógica ?

PLD convencionales

LUT´s

FPGA

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FPGA : Ejemplo de bloque lógico configurable.

LUT´s

Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.

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FPGA: Ejemplo de conexiones programables

Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.

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FPGA : Ejemplo de bloque de I/O

Fuente: Hoja de datos de la familia XC4000E – Xilinx.

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Evolución de las Arquitecturas

Virtex II y Virtex II Pro Spartan 2 y VirtexFuente: Publicaciones de la empresa Xilinx.

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Arquitectura modular orientada a las aplicaciones:

Fuente: Publicaciones de la empresa Xilinx.

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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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FPGA´s basadas en SRAM: Ideas fundamentales

1. Dispositivo de lógica programable estándar muy flexible

2. Personalizable por el usuario con ambientes EDA

programación en campo3. Arquitectura basada en SRAM

Pierden su configuración al cesar la energía4. Volátiles

Al iniciar el sistema, se debe restaurar la configuración

El diseño es accesible, tiene baja confidencialidad

Otras características5. Otras tecnologías de fabricación

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Tecnologías de fabricación

SRAM ANTIFUSIBLES

EPROMFlash

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Comparación de las tecnologías de fabricación

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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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ASIC Full Custom versus FPGA

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FPGA´s: ¿Cómo se usan? ?

Su configuración se define, simula, corrige e implementa en ambientes EDA integrados

Introducen la simulación como un elemento fundamental.

Diseño Simulación Prototipo

Permiten distintas metodologías y flujos de diseño

Permiten modularización y reuso a partir de bibliotecas

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FPGA´s: Fases de desarrollo EDAIngreso del diseño

Simulación funcional

Síntesis

Implementación

Programación del dispositivo

Simulación temporal

Netlist funcional

Netlist + Restricciones

Bitstream

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Fases de desarrollo EDA: Procesos

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Ingreso del diseño

Otras asignaturasDigital II

Captura de Esquemáticos Lenguajes HDL

Editores GráficosBibliotecas de bloquesPersonalización de funcionalidadComplejidad hasta 6000 puertas

Descripciones de alto nivelEdición rápida y sencillaDiseños 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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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

Fuente: XSA- Manual del usuario.

El diseño reside en la FPGA !!

Verificación de su funcionamiento

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Ley de Moore para FPGA

A medida que crece el nº de transistores el costo baja.

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FPGA: Tendencias

Fuente: Publicaciones de la empresa Actel.

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FPGA: Tendencias

Fuente: Publicaciones de la empresa Actel.

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Datos generales sobre FPGA´s

Algunas aplicaciones

Guitarras Gibson – sonido digitalVehículos de exploración de Marte (NASA)Módulo de control de Williams F1Misiles Tomahawk

AlgunosFabricantes

LatticeCypressActelQuicklogic

XilinxAlteraAtmel

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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ConclusionesMicroelectrónica

InformáticaHW Reconfigurable

Flexibles y reprogramables en campo.

FPGA Personalizables por el usuario con herramientas EDA

Bajo tiempo de desarrollo y tolerancia a fallas

Fundamentales para I+DIdeales para muchas aplicaciones

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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