(جدید و اصلی) موجود است تراشه آی سی 3S200A-4FTG256C XC3S200A-4FTG256C

ویژگی های محصول

 آرایه دروازه قابل برنامه ریزی فیلد

 آآرایه دروازه قابل برنامه ریزی میدانی(FPGA) هست یکمدار مجتمعطراحی شده برای پیکربندی توسط یک مشتری یا یک طراح پس از ساخت - از این رو اصطلاحقابل برنامه ریزی میدانی.پیکربندی FPGA به طور کلی با استفاده از a مشخص می شودزبان توضیحات سخت افزار(HDL)، مشابه آنچه برای یکمدار مجتمع مخصوص کاربرد(ASIC).نمودارهای مدارقبلاً برای تعیین پیکربندی استفاده می شد، اما به دلیل ظهور به طور فزاینده ای نادر استاتوماسیون طراحی الکترونیکیابزار.

FPGA ها حاوی آرایه ای ازقابل برنامه ریزی بلوک های منطقیو سلسله مراتبی از اتصالات قابل تنظیم مجدد که اجازه می دهد بلوک ها به هم متصل شوند.بلوک های منطقی را می توان برای اجرای پیچیده پیکربندی کردتوابع ترکیبی، یا به سادگی عمل کنیددرگاه های منطقیپسندیدنووXOR.در اکثر FPGA ها، بلوک های منطقی نیز شامل می شوندعناصر حافظه، که ممکن است ساده باشدفلیپ فلاپیا بلوک های کامل تری از حافظه.^[1]بسیاری از FPGA ها را می توان برای پیاده سازی های مختلف دوباره برنامه ریزی کردتوابع منطقی، امکان انعطاف پذیری را فراهم می کندمحاسبات قابل تنظیم مجددهمانطور که درنرم افزار کامپیوتر.

FPGA ها نقش قابل توجهی درسیستم تعبیه شدهتوسعه به دلیل توانایی آنها برای شروع توسعه نرم افزار سیستم به طور همزمان با سخت افزار، فعال کردن شبیه سازی عملکرد سیستم در مراحل اولیه توسعه و اجازه آزمایش های مختلف سیستم و تکرارهای طراحی قبل از نهایی کردن معماری سیستم.^[2]

تاریخ[ویرایش کنید]

صنعت FPGA از آن جوانه زدحافظه فقط خواندنی قابل برنامه ریزی(PROM) ودستگاه های منطقی قابل برنامه ریزی(PLDs).PROM ها و PLD ها هر دو این گزینه را داشتند که به صورت دسته ای در یک کارخانه یا در میدان برنامه ریزی شوند (قابل برنامه ریزی در میدان).^[3]

آلترادر سال 1983 تاسیس شد و اولین دستگاه منطقی قابل برنامه ریزی مجدد صنعت را در سال 1984 ارائه کرد - EP300 - که دارای یک پنجره کوارتز در بسته بود که به کاربران اجازه می داد یک لامپ ماوراء بنفش را بر روی قالب بتابانند تا پاک شود.EPROMسلول هایی که پیکربندی دستگاه را نگه می داشتند.^[4]

Xilinxاولین مورد تجاری قابل برنامه ریزی میدانی را تولید کردآرایه دروازهدر سال 1985^[3]– XC2064.^[5]XC2064 دارای گیت‌های قابل برنامه‌ریزی و اتصالات قابل برنامه‌ریزی بین گیت‌ها بود که آغاز یک فناوری و بازار جدید بود.^[6]XC2064 دارای 64 بلوک منطقی قابل تنظیم (CLB) با دو سه ورودی بود.جداول جستجو(LUTs).^[7]

در سال 1987،مرکز جنگ های سطحی نیروی دریاییهزینه آزمایشی را که استیو کسلمن برای توسعه رایانه‌ای که 600000 گیت قابل برنامه‌ریزی مجدد را اجرا می‌کند، ارائه کرد.Casselman موفق شد و در سال 1992 حق اختراع مربوط به این سیستم صادر شد.^[3]

Altera و Xilinx بدون چالش ادامه دادند و به سرعت از سال 1985 تا اواسط دهه 1990 رشد کردند، زمانی که رقبا رشد کردند و بخش قابل توجهی از سهم بازار آنها را از بین بردند.تا سال 1993، Actel (اکنونمیکروسمی) حدود 18 درصد از بازار را خدمت می کرد.^[6]

دهه 1990 دوره رشد سریع FPGAها، هم در پیچیدگی مدار و هم در حجم تولید بود.در اوایل دهه 1990، FPGA در درجه اول استفاده می شدمخابراتوشبکه.در پایان این دهه، FPGA ها راه خود را به کاربردهای مصرف کننده، خودرو و صنعتی باز کردند.^[8]

تا سال 2013، Altera (31 درصد)، Actel (10 درصد) و Xilinx (36 درصد) با هم تقریباً 77 درصد از بازار FPGA را تشکیل می دادند.^[9]

شرکت‌هایی مانند مایکروسافت شروع به استفاده از FPGA برای سرعت بخشیدن به سیستم‌های با کارایی بالا و محاسباتی فشرده (مانندمراکز دادهکه خود را عمل می کنندموتور جستجوی بینگ)، با توجه بهعملکرد در هر واتمزیت FPGA ارائه می شود.^[10]مایکروسافت شروع به استفاده از FPGA ها کردسرعت بخشیدنبینگ در سال 2014 و در سال 2018 شروع به استقرار FPGA در سایر بارهای کاری مرکز داده برای خود کرد.لاجوردی پردازش ابریسکو.^[11]

جدول زمانی زیر پیشرفت در جنبه های مختلف طراحی FPGA را نشان می دهد:

گیتس

• 1987: 9000 دروازه، Xilinx^[6]
• 1992: 600000، وزارت جنگ های سطحی نیروی دریایی^[3]
• اوایل دهه 2000: میلیون ها^[8]
• 2013: 50 میلیون، Xilinx^[12]

اندازه بازار

• 1985: اولین FPGA تجاری: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 میلیون دلار^[6]
• ج1993: > 385 میلیون دلار^{[6][تأیید ناموفق]}
• 2005: 1.9 میلیارد دلار^[13]
• برآوردهای سال 2010: 2.75 میلیارد دلار^[13]
• 2013: 5.4 میلیارد دلار^[14]
• برآورد 2020: 9.8 میلیارد دلار^[14]

طراحی شروع می شود

آشروع طراحییک طراحی سفارشی جدید برای پیاده سازی بر روی FPGA است.

• 2005: 80000^[15]
• 2008: 90000^[16]

طرح[ویرایش کنید]

FPGAهای معاصر دارای منابع زیادی هستنددرگاه های منطقیو بلوک های RAM برای پیاده سازی محاسبات دیجیتال پیچیده.همانطور که طراحی های FPGA از نرخ های ورودی/خروجی بسیار سریع و داده های دو طرفه استفاده می کننداتوبوس ها، بررسی زمان بندی صحیح داده های معتبر در زمان راه اندازی و زمان نگهداری به یک چالش تبدیل می شود.

برنامه ریزی طبقاتتخصیص منابع در FPGAها را قادر می سازد تا این محدودیت های زمانی را برآورده کند.FPGA ها می توانند برای پیاده سازی هر تابع منطقی استفاده شوندASICمیتواند انجام دهد. میتواند کار کند. میتواند عمل کند.امکان به روز رسانی عملکرد پس از حمل و نقل،پیکربندی مجدد جزئیبخشی از طرح^[17]و هزینه های مهندسی غیر تکراری پایین نسبت به طراحی ASIC (با وجود هزینه واحد به طور کلی بالاتر)، مزایایی را برای بسیاری از کاربردها ارائه می دهد.^[1]

برخی از FPGA ها علاوه بر عملکردهای دیجیتال، دارای ویژگی های آنالوگ نیز هستند.رایج ترین ویژگی آنالوگ قابل برنامه ریزی استنرخ کشتارروی هر پایه خروجی، به مهندس این امکان را می‌دهد که نرخ‌های پایینی را روی پین‌هایی که بارگذاری کمی دارند، تنظیم کند که در غیر این صورتحلقهیازن و شوهربه طور غیرقابل قبول، و برای تعیین نرخ های بالاتر روی پین های بارگذاری شده زیاد در کانال های پرسرعت که در غیر این صورت خیلی کند کار می کنند.^[18][19]همچنین کوارتز رایج استنوسانگرهای کریستالی، نوسان سازهای مقاومت خازنی روی تراشه وحلقه های فاز قفل شدهبا تعبیه شدهنوسانگرهای کنترل شده با ولتاژبرای تولید و مدیریت ساعت و همچنین برای سریال‌ساز-درسیالایزر پرسرعت (SERDES) برای انتقال ساعت‌ها و بازیابی ساعت گیرنده استفاده می‌شود.نسبتا متداول دیفرانسیل هستندمقایسه کننده هاروی پین های ورودی طراحی شده برای اتصالسیگنالینگ دیفرانسیلکانال هاتعداد کمی "سیگنال مختلطFPGA ها» دارای تجهیزات جانبی یکپارچه هستندمبدل های آنالوگ به دیجیتال(ADCها) ومبدل های دیجیتال به آنالوگ(DAC) با بلوک های تهویه سیگنال آنالوگ که به آنها اجازه می دهد تا به عنوان یکسیستم روی یک تراشه(SoC).^[20]چنین دستگاه هایی مرز بین یک FPGA را که عددهای دیجیتال و صفر را روی پارچه داخلی قابل برنامه ریزی داخلی خود حمل می کند، محو می کند.آرایه آنالوگ قابل برنامه ریزی میدانی(FPAA)، که مقادیر آنالوگ را بر روی پارچه داخلی قابل برنامه ریزی داخلی خود حمل می کند.

بلوک های منطقی[ویرایش کنید]

مقاله اصلی:بلوک منطقی

مثال ساده شده یک سلول منطقی (LUT -جدول جست و جو، FA -تمام جمع کننده, DFF –فلیپ فلاپ نوع D)

رایج ترین معماری FPGA شامل آرایه ای ازبلوک های منطقی(بسته به فروشنده، بلوک‌های منطقی قابل تنظیم، CLB یا بلوک‌های آرایه منطقی، LAB نامیده می‌شوند.)پدهای ورودی/خروجیو کانال های مسیریابی^[1]به طور کلی، تمام کانال های مسیریابی دارای عرض یکسان (تعداد سیم) هستند.چندین پد ورودی/خروجی ممکن است در ارتفاع یک ردیف یا عرض یک ستون در آرایه قرار بگیرند.

یک مدار کاربردی باید در یک FPGA با منابع کافی نگاشت شود.در حالی که تعداد CLB/LAB و I/Oهای مورد نیاز به راحتی از روی طراحی مشخص می‌شود، تعداد مسیرهای مسیریاب مورد نیاز ممکن است حتی در بین طرح‌هایی با همان مقدار منطق متفاوت باشد.(مثلاً الفکلید متقاطعبه مسیریابی بسیار بیشتری نسبت به a نیاز داردآرایه سیستولیکبا همان تعداد دروازهاز آنجایی که مسیرهای مسیریابی استفاده نشده باعث افزایش هزینه (و کاهش عملکرد) قطعه بدون ارائه هیچ مزیتی می شود، سازندگان FPGA سعی می کنند مسیرهای کافی را ارائه دهند تا اکثر طرح های متناسب باجداول جستجو(LUTs) و I/O می توانند باشندمسیریابی شده است.این با تخمین هایی مانند برآوردهای حاصل از آن تعیین می شودقانون اجارهیا با آزمایش با طرح های موجود.^[21]از سال 2018،شبکه روی تراشهمعماری‌هایی برای مسیریابی و اتصال درونی در حال توسعه هستند.^{[استناد مورد نیاز است]}

به طور کلی، یک بلوک منطقی از چند سلول منطقی (به نام های ALM، LE، slice و غیره) تشکیل شده است.یک سلول معمولی از یک LUT 4 ورودی تشکیل شده استتمام جمع کننده(FA) و الففلیپ فلاپ نوع D.اینها ممکن است به دو LUT 3 ورودی تقسیم شوند.که درحالت عادیآنها از طریق اولی در یک LUT 4 ورودی ترکیب می شوندمالتی پلکسر(Mux).که درحسابیحالت، خروجی های آنها به جمع کننده داده می شود.انتخاب حالت در mux دوم برنامه ریزی شده است.خروجی می تواند یکی باشدهمزمانیانامتقارنبسته به برنامه نویسی mux سوم.در عمل کل یا قسمت هایی از جمع کننده هستندبه عنوان توابع ذخیره می شودبه منظور صرفه جویی در LUT هافضا.^[22][23][24]

بلوک های سخت[ویرایش کنید]

خانواده‌های مدرن FPGA قابلیت‌های فوق را گسترش می‌دهند تا قابلیت‌های سطح بالاتر ثابت شده در سیلیکون را شامل شوند.تعبیه این توابع رایج در مدار، مساحت مورد نیاز را کاهش می‌دهد و به آن توابع سرعت بیشتری نسبت به ساخت آن‌ها از ابتدایی‌های منطقی می‌دهد.نمونه هایی از این موارد عبارتند ازضرب کننده ها، عمومیبلوک های DSP،پردازنده های تعبیه شده، منطق I/O با سرعت بالا و تعبیه شده استخاطرات.

FPGA های رده بالا می توانند دارای سرعت بالا باشندگیرنده های چند گیگابیتیوهسته های سخت IPمانندهسته های پردازنده،شبکه محلی کابلی واحدهای کنترل دسترسی متوسط،PCI/PCI Expressکنترلرها و کنترلرهای حافظه خارجیاین هسته ها در کنار پارچه قابل برنامه ریزی وجود دارند، اما از آنها ساخته شده اندترانزیستورهابه جای LUT، بنابراین آنها دارای سطح ASIC هستندکاراییومصرف برقبدون مصرف مقدار قابل توجهی از منابع پارچه، بیشتر پارچه را برای منطق خاص برنامه آزاد می کند.فرستنده‌های گیرنده چند گیگابیتی همچنین دارای مدارهای ورودی و خروجی آنالوگ با کارایی بالا به همراه سریال‌کننده‌ها و سریال‌سازهای پرسرعت هستند، اجزایی که نمی‌توانند از LUT ساخته شوند.عملکرد لایه فیزیکی سطح بالاتر (PHY) مانندکدگذاری خطبسته به FPGA ممکن است در کنار سریال‌سازها و deserializers در منطق سخت پیاده‌سازی شود یا نباشد.