معلومات

ما هو FPGA - أساسيات مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية

 ما هو FPGA - أساسيات مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية

مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية ، أو FPGA هي جهاز منطقي قابل للبرمجة يمكن ضبط تكوينه الداخلي بواسطة البرنامج أو كما يطلق عليه "البرامج الثابتة". يتيح ذلك تحديث وظيفة FPGA أو حتى تغييرها تمامًا كما هو مطلوب ، لأنه يتم تحديث البرنامج الثابت FPGA عندما يكون في الدائرة.

قد تتكون المكونات المنطقية القابلة للبرمجة FPGA ، أو الكتل المنطقية كما هي معروفة ، من أي شيء بدءًا من البوابات المنطقية وحتى عناصر الذاكرة أو كتل الذكريات أو أي عنصر تقريبًا. هذا يوفر درجة كبيرة من المرونة.

تطبيقات FPGA

تعني الطبيعة القابلة لإعادة التشكيل لـ FPGA أنه يمكن استخدامها في عدد كبير من التطبيقات المختلفة.

  • نماذج ASIC: غالبًا ما تُستخدم دوائر ASIC أو الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق في الإنتاج بكميات كبيرة ، ولكن تطويرها مكلف للغاية والتغييرات مكلفة للغاية وتستغرق وقتًا طويلاً. بمجرد تصنيع شريحة ASIC ، يتم إصلاح وظائفها. أيضًا ، عادةً ما تكون رقائق ASIC معقدة للغاية ولضمان صحة الوظيفة ، غالبًا ما يتم استخدام FPGA بدلاً من شريحة ASIC أثناء التطوير وحتى الإنتاج المبكر حتى تتم إزالة جميع المشكلات.
  • المعدات المحددة بالبرمجيات: نظرًا لأن المعدات تتجه الآن أكثر نحو كونها برمجيات محددة كما في حالة الراديو المحدد بالبرمجيات ، يتم استخدام المفهوم على نطاق واسع في العديد من مجالات التكنولوجيا. أصبحت معدات الاختبار المحددة بالبرمجيات أيضًا مستخدمة على نطاق واسع - هنا يمكن تعديل وظيفة أداة الاختبار وفقًا لما هو مطلوب.

أساسيات FPGA

الميزة العظيمة لـ FPGA هي أن الشريحة قابلة للبرمجة تمامًا ويمكن إعادة برمجتها. بهذه الطريقة تصبح دائرة منطقية كبيرة يمكن تهيئتها وفقًا للتصميم ، ولكن إذا كانت التغييرات مطلوبة ، فيمكن إعادة برمجتها مع تحديث.

وبالتالي ، إذا تم تصنيع بطاقة الدائرة أو اللوحة وتحتوي على FPGA كجزء من الدائرة ، تتم برمجتها أثناء عملية التصنيع ، ولكن يمكن إعادة برمجتها لاحقًا لتعكس أي تغييرات. وبالتالي فهي قابلة للبرمجة في المجال ، وهذا في الواقع يؤدي إلى ظهور اسمها.

على الرغم من أن FPGAs تقدم العديد من المزايا ، إلا أن هناك بعض العيوب بطبيعة الحال. إنها أبطأ من ASICs المكافئة (الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق) أو الدوائر المتكاملة الأخرى المكافئة ، بالإضافة إلى أنها أكثر تكلفة. (ومع ذلك ، فإن تطوير ASICs مكلف للغاية بالمقارنة).

هذا يعني أن اختيار ما إذا كان سيتم استخدام تصميم يعتمد على FPGA يجب أن يتم في وقت مبكر من دورة التصميم وسيعتمد على عناصر مثل ما إذا كانت الشريحة ستحتاج إلى إعادة برمجة ، وما إذا كان يمكن الحصول على وظائف مكافئة في مكان آخر ، وبالطبع التكلفة المسموح بها. في بعض الأحيان ، قد يختار المصنعون تصميم FPGA للمنتج المبكر عندما لا يزال من الممكن العثور على أخطاء ، ثم يستخدمون ASIC عندما يكون التصميم مستقرًا تمامًا.

تستخدم FPGAs في العديد من التطبيقات. نظرًا للتكلفة ، لا يتم استخدامها في المنتجات عالية الحجم الرخيصة ، ولكن بدلاً من ذلك ، تجد FPGAs تطبيقات في مجموعة متنوعة من المجالات حيث قد تكون هناك حاجة إلى دوائر منطقية معقدة ، وقد يتم توقع التغييرات. تغطي تطبيقات FPGA مجموعة واسعة من المجالات من معدات الفيديو والتصوير إلى الدوائر الخاصة بالفضاء والتطبيقات العسكرية ، فضلاً عن الإلكترونيات للمعالجة المتخصصة وغير ذلك الكثير.

الداخلية FPGA

البنية الداخلية لـ FPGA هي مفتاح مرونتها وبالتالي نجاحها. تتكون FPGA بشكل أساسي من عنصرين أساسيين:

  • كتل المنطق المشترك: يمكن تنفيذ الكتلة المنطقية في FPGA بعدة طرق. يعتمد التنفيذ الفعلي على الشركة المصنعة وكذلك سلسلة FPGA المستخدمة. تشمل الاختلافات عدد المدخلات والمخرجات ، والتعقيد العام للكتلة المنطقية من حيث الدوائر وعدد الترانزستورات المستخدمة. هذا بطبيعة الحال له تأثير على مقدار المساحة المستهلكة على الرقاقة ، ومن ثم حجم السيليكون المستخدم.
  • التوجيه الداخلي FPGA: تشتمل قنوات التوجيه داخل FPGA على أسلاك يمكن ربطها باستخدام مفاتيح قابلة للتكوين كهربائيًا. وبهذه الطريقة ، من الممكن ربط نقاط مختلفة على الشريحة ببعضها البعض وبالتالي توصيل الكتل المنطقية المشتركة المختلفة بأي طريقة مطلوبة.

تطوير البرامج الثابتة FPGA

نظرًا لأن FPGA عبارة عن مصفوفة منطقية قابلة للتكوين ، يجب ضبط المنطق لتلبية متطلبات النظام. يتم توفير التكوين بواسطة البرامج الثابتة - وهي مجموعة من البيانات

نظرًا لتعقيد FPGAs ، يتم استخدام البرامج لتصميم وظيفة FPGA. يتم بدء عملية تصميم FPGA من قبل المستخدم الذي يقدم تعريف لغة وصف الأجهزة (HDL) أو تصميمًا تخطيطيًا.

HDLs الشائعة هي VHDL (حيث يرمز VHDL الخامسHSIC حardware دescription إلanguage) و Verilog. بمجرد الانتهاء من ذلك ، فإن المهمة التالية في عملية تصميم FPGA هي إنتاج قائمة شبكة يتم إنشاؤها لعائلة FPGA المعينة المستخدمة. يصف هذا الاتصال المطلوب داخل FPGA ويتم إنشاؤه باستخدام أداة أتمتة تصميم الإلكترونيات.

يمكن بعد ذلك تركيب netlist على بنية FPGA الفعلية باستخدام عملية تسمى المكان والطريق ، وعادة ما يتم تنفيذها بواسطة برنامج المكان والطريق المملوك لشركة FPGA.

أخيرًا التصميم ملتزم بـ FPGA ويمكن استخدامه في لوحة الدوائر الإلكترونية المخصصة له.

ملاحظة حول برمجة FPGA:

تتطلب FPGAs أن تكون الموجة الثابتة متاحة لتعيين تكوين المنطق داخل الشريحة. يمكن تطوير هذه الموجة الثابتة بعدة طرق وهناك العديد من منصات البرامج المختلفة التي يمكن استخدامها.

اقرأ المزيد عن برمجة FPGA

اختبار FPGA

نظرًا لتعقيدها ، من الضروري إجراء اختبار صارم لتصميم FPGA. عادة ما يتم إجراء هذا الاختبار في كل مرحلة من مراحل عملية تطوير FPGA.

وهي تتضمن محاكاة وظيفية ومنهجيات تحقق أخرى ، ولكن يمكن أن تكون إحدى القضايا الرئيسية هي مسألة التوقيت حيث يمكن أن يعني حجم وتعقيد المنطق الأساسي إمكانية ظهور مشكلات التوقيت.

بمجرد اكتمال عملية التصميم والتحقق من الصحة ، يتم استخدام الملف الثنائي الذي تم إنشاؤه (باستخدام برنامج مملوك لشركة FPGA أيضًا) لتكوين جهاز FPGA.

أدوات FPGA

تتوفر أدوات تطوير واختبار FPGA من مجموعة متنوعة من المصادر. من الواضح أن الشركة المصنعة قادرة على تقديم العديد من أدوات تطوير FPGA ، ولكن هناك العديد من المصادر الأخرى لتوليف FPGA HDL للجهات الخارجية وأدوات التوليف المادي والتحقق من FPGA. وتشمل هذه التطوير الفعلي والمراحل المختلفة لاختبار FPGAs.


شاهد الفيديو: الذكاء الاصطناعي النظم الخبيرة Expert system تعريفهاومجالاتها ومزاياها وعيوبها وأشهر تطبيقاتها (سبتمبر 2021).