O termo FPGA significa Field Programmable Gate Array e é um tipo de chip lógico semicondutor que pode ser programado para se tornar quase qualquer tipo de sistema ou circuito digital, semelhante a PLDs. Os PLDS são limitados a centenas de portas, mas os FPGAs suportam milhares de portas. A configuração da arquitetura FPGA é geralmente especificada usando uma linguagem, ou seja, HDL (linguagem de descrição de hardware), que é semelhante à usada para um ASIC (Circuito Integrado Específico de Aplicativo).

Matrizes de portas programáveis em campo

FPGAs podem fornecer uma série de vantagens sobre uma tecnologia ASIC de função fixa, como células padrão. Normalmente, os ASICs levam meses para serem fabricados e o custo deles será de milhares de dólares para obter o dispositivo. Mas, FPGAs são fabricados em menos de um segundo, o custo será de alguns dólares a milhares de dólares. A natureza flexível do FPGA tem um custo significativo em área, consumo de energia e atraso. Quando comparado a um ASIC de célula padrão, um FPGA requer de 20 a 35 vezes mais área e o desempenho da velocidade será de 3 a 4 vezes mais lento do que o ASIC. Este artigo descreve os fundamentos do FPGA e o módulo de arquitetura FPGA que inclui pad de E / S, blocos lógicos e matriz de comutação. FPGAs são algumas das novas áreas de tendência do VLSI. Portanto, eles são usados em Projetos baseados em VLSI para estudantes de engenharia eletrônica .

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Arquitetura FPGA

A arquitetura geral do FPGA consiste em três tipos de módulos. Eles são blocos de E / S ou Pads, Switch Matrix / Interconexão Wires e blocos lógicos configuráveis (CLB). A arquitetura básica do FPGA possui matrizes bidimensionais de blocos lógicos com um meio para o usuário organizar a interconexão entre os blocos lógicos. As funções de um módulo de arquitetura FPGA são discutidas abaixo:

CLB (bloco lógico configurável) inclui lógica digital, entradas e saídas. Ele implementa a lógica do usuário.
As interconexões fornecem direção entre os blocos lógicos para implementar a lógica do usuário.
Dependendo da lógica, a matriz de switch fornece comutação entre interconexões.
I / O Pads usados para que o mundo externo se comunique com diferentes aplicativos.

Arquitetura FPGA

Bloco lógico contém MUX (Multiplexer) , D flip-flop e LUT. O LUT implementa as funções lógicas combinatórias, o MUX é usado para a lógica de seleção e o flip-flop D armazena a saída do LUT

O bloco de construção básico do FPGA é o gerador de funções baseado em Look Up Table. O número de entradas para o LUT varia de 3,4,6, e até 8 após os experimentos. Agora, temos LUTs adaptáveis que fornecem duas saídas por LUT único com a implementação de dois geradores de função.

Bloco Lógico FPGA

Xilinx Virtex-5 é o FPGA mais popular, que contém uma Look up Table (LUT) que é conectada ao MUX, e um flip-flop conforme discutido acima. O FPGA atual consiste em cerca de centenas ou milhares de blocos lógicos configuráveis. Para a configuração do FPGA, os softwares Modelsim e Xilinx ISE são usados para gerar um arquivo bitstream e para desenvolvimento.

Tipos de FPGAs baseados em aplicativos

As matrizes de portas programáveis em campo são classificadas em três tipos com base em aplicações como FPGAs de gama baixa, FPGAs de gama média e FPGAs de gama alta.

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Tipos de FPGAs

FPGAs Low End

Esses tipos de FPGAs são projetados para baixo consumo de energia, baixa densidade lógica e baixa complexidade por chip. Exemplos de FPGAs de baixo custo são a família Cyclone da Altera, a família Spartan da Xilinx, a família de fusão da Microsemi e o Mach XO / ICE40 da Lattice semiconductor.

FPGAs de médio alcance

Esses tipos de FPGAs são a solução ideal entre os FPGAs de gama baixa e alta e são desenvolvidos como um equilíbrio entre o desempenho e o custo. Exemplos de FPGAs de médio alcance são Arria da Altera, Artix-7 / Kintex-7 series da Xlinix, IGL002 da Microsemi e ECP3 e ECP5 series da Lattice semiconductor.

FPGAs de ponta

Esses tipos de FPGAs são desenvolvidos para densidade lógica e alto desempenho. Exemplos de FPGAs de ponta são uma família Stratix da Altera, família Virtex da Xilinx, família Speedster 22i da Achronix e família ProASIC3 da Microsemi.

Aplicações de FPGA:

FPGAs tiveram um rápido crescimento na última década porque são úteis para uma ampla gama de aplicações. A aplicação específica de um FPGA inclui processamento de sinal digital, bioinformática, controladores de dispositivo, rádio definido por software, lógica aleatória, prototipagem ASIC, imagens médicas, emulação de hardware de computador, integração de vários SPLDs, reconhecimento de voz , criptografia, filtragem e codificação de comunicação e muito mais.

Normalmente, os FPGAs são mantidos para aplicações verticais específicas, onde o volume de produção é pequeno. Para esses aplicativos de baixo volume, as principais empresas pagam os custos de hardware por unidade. Hoje, a nova dinâmica de desempenho e custo ampliaram a gama de aplicações viáveis.

Aplicações de FPGA

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Algumas aplicações FPGA mais comuns são: Aeroespacial e defesa, eletrônica médica, prototipagem ASIC, áudio, automotivo, transmissão, eletrônica de consumo, sistemas monetários distribuídos, data center, computação de alto desempenho, industrial, médica, instrumentos científicos, Sistemas de segurança , Processamento de Vídeo e Imagem, Comunicações com Fio, Comunicações sem fio .

Ideias para projetos baseados em FPGA:

Aqui está uma lista de idéias de projetos baseados em FPGA para experimentar com Verilog HDL e VHDL para estudantes de engenharia do último ano. O lista de ideias de projetos eletrônicos baseado em FPGA é fornecido abaixo:

Ideias para projetos baseados em FPGA

Sistema de login de segurança baseado em FPGA
CHIP de aparelho auditivo digital baseado em FPGA
Uma arquitetura de extração de recursos de imagem em tempo real baseada em FPGA
Projeto baseado em FPGA e implementação de decodificadores Mp4
Baseado em FPGA Sistema de controle de sinais de trânsito Design e implementação
Geração de portadora de alta frequência baseada em FPGA para compressão de pulso usando algoritmo de cordão
Projeto e síntese de blocos lógicos programáveis com macro gate e LUT misto
Instrução específica do aplicativo, conjunto de design, implementação e estudo do processador para uma tarefa DSP específica
Projeto e implementação de unidade de sincronização para receptor de uplink WCDMA
Implementação FPGA do Algoritmo FFT para IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)
Projeto baseado em FPGA de GPS (Sistema de Posicionamento Global) -GSM (Sistemas Globais para Dispositivos Móveis) Navegador Móvel
Space Vector PWM (modulação por largura de pulso) para conversores de três níveis: uma implementação do LabVIEW
Projeto e implementação de plataforma de multiprocessador programável para processamento integrado de alto desempenho
Extensão de otimização de processador de alto desempenho e aprimoramento para FPGAs
Desenvolvimento e avaliação de controle orientado a campo usando LabVIEW FPGA
Síntese de frequência digital direta em FPGAs
Projeto e plataforma de multiprocessador do programa para processamento integrado de alto desempenho
Projeto e integração da exploração espacial de matrizes de contadores programáveis de campo usando FPGA
Uma implementação FPGA do telescópio Icecube para detecção de trilhas de neutrinos
Interpolação de imagem de exibição 3D no firmware
Arquitetura e implementação do sistema MIMO Sphere
Arquitetura Superescalar Power Efficient FFT (Fast Fourier Transform)
Registro de mudança de feedback linear (LFSR) Otimização de energia para BIST de baixa potência

Depois de gastar seu valioso tempo neste artigo, acreditamos que você teve uma boa ideia sobre a arquitetura FPGA e SOBRE a seleção do tópico de projeto de sua escolha entre as ideias de projeto baseadas em FPGA, e esperamos que você tenha confiança suficiente para abordar qualquer tópico da lista. Para mais detalhes e ajuda sobre esses projetos, você pode escrever para nós na seção de comentários fornecida abaixo.

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