FPGA
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Un FPGA (field programmable gate array) es un dispositivo semiconductor que contiene componentes lógicos programables e interconexiones programables entre ellos. La raíz histórica de los FPGA son los dispositivos de lógica programable compleja (CPLD) de mediados de los ochenta. Su creador es Ross Freeman, co-fundador de Xilinx. Los componentes lógicos programables pueden ser programados para duplicar la funcionalidad de compuertas lógicas básicas o funciones combinacionales más complejas tales como decodificadores o funciones matemáticas simples. En muchos FPGA, estos componentes lógicos programables (o bloques lógicos, según el lenguaje comúnmente usado) también incluyen elementos de memoria, los cuales pueden ser simples flip-flops o bloques de memoria más complejos.
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[editar] Características
Una jerarquía de interconexiones programables permite a los bloques lógicos de un FPGA ser interconectados según la necesidad del diseñador del sistema, algo parecido a un breadboard programable. Estos bloques lógicos e interconexiones pueden ser programados después del proceso de manufactura por el usuario/diseñador, así que el FPGA puede desempeñar cualquier función lógica necesaria.
Una tendencia reciente ha sido combinar los bloques lógicos e interconexiones de los FPGA con microprocesadores y periféricos relacionados para formar un “Sistema programable en un chip”. Ejemplo de tales tecnologías híbridas pueden ser encontradas en los dispositivos Virtex-II PRO y Virtex-4 de Xilinx, los cuales incluyen uno o más procesadores PowerPC embebidos junto con la lógica del FPGA. El FPSLIC de Atmel es otro dispositivo similar, el cual usa un procesador AVR en combinación con la arquitectura lógica programable de Atmel. Otra alternativa es hacer uso de núcleos de procesadores implementados haciendo uso de la lógica del FPGA. Esos núcleos incluyen los procesadores MicroBlaze y PicoBlaze de Xlinx, Nios y Nios II de Altera, y los procesadores de código abierto LatticeMicro32 y LatticeMicro8.
Muchos FPGA modernos soportan la reconfiguración parcial del sistema, permitiendo que una parte del diseño sea reprogramada, mientras las demás partes siguen funcionando. Este es el principio de la idea de la "computación reconfigurable", o los "sistemas reconfigurables".
Los fabricantes, además, pueden proporcionar versiones de los FPGA más baratas y menos flexibles, las cuales no pueden ser modificadas después de que se han programado con un diseño. El desarrollo de estos diseños es hecho en dispositivos FPGA regulares y, una vez finalizados, se migran hacia una versión mejorada que es más parecida a un ASIC.
Los FPGA son generalmente más lentos que sus contrapartes, los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC por sus siglas en inglés), no pueden soportar diseños muy complejos, y consumen más energía. Sin embargo, los FPGA tienen ciertas ventajas tales como la reducción del tiempo de introducción al mercado de productos, la habilidad de ser reprogramados después de haber salido al mercado a fin de corregir posibles errores, y reducir los costos de investigación, diseño y pruebas de un nuevo producto. Dispositivos de lógica programable compleja, como los CPLD, son otra alternativa.
[editar] Arquitectura
La arquitectura básica consiste en un arreglo de bloques lógicos programables (CLB, del inglés Configurable Logic Block) y canales de comunicación. Generalmente, todos los canales de comunicación tienen el mismo ancho (número de cables). Un bloque lógico típico consiste en una tabla de funciones lógicas de cuatro entradas (LookUp Table) y un flip-flop como se muestra en la siguiente figura.
Hay solamente una salida, la cual puede ser la salida registrada por el flip-flop, o la salida de la tabla de funciones lógicas. El bloque lógico tiene, entonces, 4 entradas para la tabla y una entrada de reloj para el flip-flop. Las señales de reloj y otras más, son manejadas por separado en FPGA comerciales.
Para esta arquitectura, la localización de los pines de los bloques lógicos de la FPGA son mostrados en la figura de a continuación.
Cada entrada es accesible desde un lado del bloque lógico, mientras que el pin de salida puede conectarse a cables de comunicación en ambos canales, el de la derecha y el canal debajo del bloque lógico. Cada pin de salida del bloque lógico puede conectarse a cualquier segmento de cable en el canal de comunicación adyacente a él. Similarmente, un conector de Entrada/Salida puede conectarse a cualquier segmento de cable en el canal de comunicación adyacente a él.
Generalmente, cada segmento de conexión atraviesa solamente por un bloque lógico, antes de que este termine en una de las cajas de interruptores. Mediante la selección de conexiones a través de los interruptores programables que están dentro de las cajas de conexiones, se pueden hacer líneas de conexión más largas. Para interconexiones más rápidas, algunas arquitecturas de FPGA usan líneas de conexiones más largas que atraviesan múltiples bloques lógicos.
En cada punto donde intersecta un canal de conexión vertical con un canal horizontal, hay una caja de interruptores, la cual permite conectar una línea a otras tres posibles líneas adyacentes dentro del segmento del canal. Una línea solo puede conectarse con otra de las tres posibles anteriormente mencionadas, no puede conectarse directamente con líneas de otras intersecciones.
Enseguida se muestra lo descrito:
Existen, además, bloques usados como interfaz entre el FPGA y otros dispositvos. Estos son llamados IOB (Bloques de Entrada/Salida). Los IOBs son los que definen si un pin de la FPGA será usado como entrada o como salida en el sistema implementado.
[editar] Programación
La tarea del programador es definir la función lógica que realizará cada uno de los CLB, seleccionar el modo de trabajo de cada IOB e interconectarlos.
El diseñador cuenta con la ayuda de entornos de desarrollo especializados en el diseño de sistemas a implementarse en un FPGA. Un diseño puede ser capturado ya sea como esquemático, o haciendo uso de un lenguaje de programación especial. Estos lenguajes de programación especiales son conocidos como HDL o Hardware Description Language (lenguajes de descripción de hardware). Los HDLs más utilizados son:
[editar] Diferencias entre FPGA y CPLD
Tanto los CPLD como los FPGA incluyen un número relativamente grande de elementos lógicos programables. El rango de densidad de los CPLD va desde miles a decenas de miles de compuertas lógicas, mientras que el de los FPGA va típicamente desde decenas de miles hasta varios millones.
La principal diferencia entre los CPLD y los FPGA son sus arquitecturas. Un CPLD tiene una estructura un poco más restringida, consistiendo en la unión de uno o más arreglos lógicos que alimentan a un número pequeño de registros con entrada de reloj (clock). Ello conlleva, como ya se mencionó, una flexibilidad reducida, con la ventaja de una mejor predicción de los tiempos de retraso. La arquitectura de los FPGA, por otro lado, cuenta con muchas más interconexiones. Esto los hace más flexibles, es decir, el rango de diseños prácticos en los cuales pueden ser usados es mayor.
Otra notable diferencia entre CPLD y FPGA es la presencia de funciones de más alto nivel (tales como sumadores y multiplicadores) dentro de los FPGA, además de memorias.
[editar] Aplicaciones
Cualquier circuito de aplicación específica puede ser implementado en un FPGA, siempre y cuando esta disponga de los recursos necesarios. Las aplicaciones donde más comúnmente se utilizan los FPGA incluyen a los DSP (procesamiento digital de señales), radio definido por software, sistemas aeroespaciales y de defensa, prototipos de ASICs, sistemas de imágenes para medicina, sistemas de visión para computadoras, reconocimiento de voz, bioinformática, emulación de hardware de computadora, entre otras. Cabe notar que su uso en otras áreas es cada vez mayor, sobre todo en aquellas aplicaciones que requieren un alto grado de paralelismo.
En el sitio [1] hay código fuente disponible de sistemas como microprocesadores, microcontroladores, filtros, módulos de comunicaciones y memorias, entre otros. Estos códigos se llaman cores.
[editar] Fabricantes
A principios de 2007, el mercado de los FPGA se ha colocado en un estado donde hay dos productores de FPGA de propósito general que están a la cabeza del mismo, y un conjunto de otros competidores quienes se diferencian por ofrecer dispositivos de capacidades únicas.
- Xilinx es uno de los dos grandes líderes en la fabricación de FPGA.
- Altera es el otro gran líder.
- Lattice Semiconductor lanzó al mercado dispositivos FPGA con tecnología de 90nm. En adición, Lattice es un proveedor líder en tecnología no volátil, FPGA basadas en tecnología Flash, con productos de 90nm y 130nm.
- Actel tiene FPGAs basados en tecnología Flash reprogrammable. También ofrece FPGAs que incluyen mezcladores de señales basados en Flash.
- QuickLogic tiene productos basados en fusibles (programables una sola vez).
- Atmel es uno de los fabricantes cuyos productos son reconfigurables (el Xilinx XC62xx fue uno de estos, pero no están siendo fabricados actualmente). Ellos se enfocaron en proveer microcontroladores AVR con FPGAs, todo en el mismo encapsulado.
- Achronix Semiconductor tienen en desarrollo FPGAs muy veloces. Planean sacar al mercado a comienzos de 2007 FPGAs con velocidades cercanas a los 2GHz.
- MathStar, Inc. ofrecen FPGA que ellos llaman FPOA (Arreglo de objetos de matriz programable).
[editar] Véase también
[editar] Enlaces externos
- Más información sobre FPGA.
- Grupos de Trabajo con FPGA Lista de grupos de discusión FPGA, administrados por el MC Luis Orantes graduado de la Universidad de Pittsburgh en EUA.
- Cores gratuitos Sitio de descarga de cores gratuitos y ampliamente usados.
