(I ri dhe origjinal) Në magazinë 3S200A-4FTG256C Çip IC XC3S200A-4FTG256C

Atributet e produktit

 Vargu i portës së programueshme në terren

 Agrup portash i programueshëm në terren(FPGA) eshte njeqark i integruarprojektuar për t'u konfiguruar nga një klient ose një projektues pas prodhimit - prandaj termii programueshëm në terren.Konfigurimi FPGA në përgjithësi specifikohet duke përdorur agjuha e përshkrimit të harduerit(HDL), e ngjashme me atë të përdorur për njëqark i integruar specifik për aplikim(ASIC).Diagramet e qarkutjanë përdorur më parë për të specifikuar konfigurimin, por kjo është gjithnjë e më e rrallë për shkak të ardhjes sëautomatizimi elektronik i dizajnitmjetet.

FPGA-të përmbajnë një grup preji programueshëm blloqe logjike, dhe një hierarki të ndërlidhjeve të rikonfigurueshme që lejojnë që blloqet të lidhen së bashku.Blloqet logjike mund të konfigurohen për të kryer kompleksefunksionet e kombinuara, ose veproni si e thjeshtëportat logjikesiDHEdheXOR.Në shumicën e FPGA-ve, blloqet logjike përfshijnë gjithashtuelementet e memories, e cila mund të jetë e thjeshtërrokullisjeose blloqe më të plota të memories.^[1]Shumë FPGA mund të riprogramohen për të zbatuar të ndryshmefunksionet logjike, duke lejuar fleksibilitetllogaritje e rikonfigurueshmesiç kryhet nësoftuer kompjuterik.

FPGA-të kanë një rol të jashtëzakonshëm nësistem i nguliturzhvillimi për shkak të aftësisë së tyre për të filluar zhvillimin e softuerit të sistemit njëkohësisht me harduerin, mundësojnë simulimet e performancës së sistemit në një fazë shumë të hershme të zhvillimit dhe lejojnë prova të ndryshme të sistemit dhe përsëritje të projektimit përpara se të finalizojnë arkitekturën e sistemit.^[2]

Historia[redaktoni]

Industria FPGA doli ngamemorie e programueshme vetëm për lexim(PROM) dhepajisje logjike të programueshme(PLDs).PROM-të dhe PLD-të kishin mundësinë e programimit në grupe në një fabrikë ose në terren (të programueshëm në terren).^[3]

Alterau themelua në vitin 1983 dhe dorëzoi pajisjen e parë logjike të riprogramueshme të industrisë në 1984 - EP300 - e cila paraqiste një dritare kuarci në paketë që i lejonte përdoruesit të ndriçonin një llambë ultravjollcë në makineri për të fshirëEPROMqelizat që mbanin konfigurimin e pajisjes.^[4]

Xilinxprodhoi të parën komercialisht të programueshme në terrengrup portashnë vitin 1985^[3]- XC2064.^[5]XC2064 kishte porta të programueshme dhe ndërlidhje të programueshme midis portave, fillimet e një teknologjie dhe tregu të ri.^[6]XC2064 kishte 64 blloqe logjike të konfigurueshme (CLB), me dy hyrje me tre hyrjetabelat e kërkimit(LUT).^[7]

Në vitin 1987,Qendra e Luftës në Sipërfaqe Detarefinancoi një eksperiment të propozuar nga Steve Casselman për të zhvilluar një kompjuter që do të zbatonte 600,000 porta të riprogramueshme.Casselman ishte i suksesshëm dhe një patentë në lidhje me sistemin u lëshua në 1992.^[3]

Altera dhe Xilinx vazhduan të padiskutueshme dhe u rritën shpejt nga viti 1985 deri në mesin e viteve 1990 kur u rritën konkurrentët, duke gërryer një pjesë të konsiderueshme të pjesës së tyre të tregut.Deri në vitin 1993, Actel (taniMikrosemi) shërbente rreth 18 për qind të tregut.^[6]

Vitet 1990 ishin një periudhë e rritjes së shpejtë për FPGA-të, si në sofistikimin e qarkut ashtu edhe në vëllimin e prodhimit.Në fillim të viteve 1990, FPGA-të u përdorën kryesisht nëtelekomunikacionitdherrjetëzimi.Në fund të dekadës, FPGA-të gjetën rrugën e tyre në aplikimet e konsumatorit, automobilave dhe industriale.^[8]

Deri në vitin 2013, Altera (31 përqind), Actel (10 përqind) dhe Xilinx (36 përqind) së bashku përfaqësonin afërsisht 77 përqind të tregut FPGA.^[9]

Kompanitë si Microsoft kanë filluar të përdorin FPGA për të përshpejtuar sistemet me performancë të lartë dhe intensive llogaritëse (siqendrat e të dhënaveqë veprojnë e tyreMotori i kërkimit Bing), për shkak tëperformanca për vatFPGA-të ofrojnë avantazh.^[10]Microsoft filloi të përdorë FPGA për tëpërshpejtojnëBing në 2014 dhe në 2018 filloi vendosjen e FPGA-ve nëpër ngarkesa të tjera të qendrave të të dhënave për tëAzure cloud computingplatformë.^[11]

Afatet e mëposhtme kohore tregojnë përparimin në aspekte të ndryshme të dizajnit të FPGA:

Portat

• 1987: 9000 porta, Xilinx^[6]
• 1992: 600,000, Departamenti i Luftës në Sipërfaqe Detare^[3]
• Fillimi i viteve 2000: miliona^[8]
• 2013: 50 milionë, Xilinx^[12]

Madhësia e tregut

• 1985: FPGA e parë komerciale: Xilinx XC2064^[5][6]
• 1987: 14 milionë dollarë^[6]
• c.1993: > 385 milionë dollarë^{[6][verifikimi i dështuar]}
• 2005: 1.9 miliardë dollarë^[13]
• Vlerësimet e vitit 2010: 2.75 miliardë dollarë^[13]
• 2013: 5.4 miliardë dollarë^[14]
• Vlerësimi i vitit 2020: 9.8 miliardë dollarë^[14]

Dizajni fillon

Afillimi i projektimitështë një dizajn i ri me porosi për zbatim në një FPGA.

• 2005: 80,000^[15]
• 2008: 90,000^[16]

Dizajni[redaktoni]

FPGA-të bashkëkohore kanë burime të mëdha tëportat logjikedhe blloqe RAM për të zbatuar llogaritje komplekse dixhitale.Ndërsa dizajnet FPGA përdorin ritme shumë të shpejta I/O dhe të dhëna dydrejtimësheautobusët, bëhet sfidë për të verifikuar kohën e saktë të të dhënave të vlefshme brenda kohës së konfigurimit dhe kohës së mbajtjes.

Planifikimi i dyshemesëmundëson alokimin e burimeve brenda FPGA-ve për të përmbushur këto kufizime kohore.FPGA-të mund të përdoren për të zbatuar çdo funksion logjik që njëASICmund të kryejë.Aftësia për të përditësuar funksionalitetin pas transportit,rikonfigurim i pjesshëmtë një pjese të dizajnit^[17]dhe kostot e ulëta jo-përsëritëse inxhinierike në krahasim me një dizajn ASIC (pavarësisht kostos së njësisë përgjithësisht më të lartë), ofrojnë avantazhe për shumë aplikacione.^[1]

Disa FPGA kanë veçori analoge përveç funksioneve dixhitale.Tipari më i zakonshëm analog është i programueshëmnorma e goditjesnë çdo kunj dalëse, duke i lejuar inxhinierit të vendosë norma të ulëta në kunjat me ngarkesë të lehtë që përndryshe do të bënteunazëoseçiftnë mënyrë të papranueshme dhe për të vendosur tarifa më të larta në kunjat e ngarkuara shumë në kanalet me shpejtësi të lartë që përndryshe do të funksiononin shumë ngadalë.^[18][19]Gjithashtu të zakonshme janë kuarci-oshilatorë kristal, oshilatorë të kapacitetit të rezistencës në çip, dhesythe të mbyllura në fazëme të ngulituraoshilatorë të kontrolluar nga tensionipërdoret për gjenerimin dhe menaxhimin e orës, si dhe për orët e transmetimit dhe rikuperimin e orës së marrësit me shpejtësi të lartë serializues-deserializer (SERDES).Mjaft të zakonshme janë diferencialekrahasuesnë kunjat hyrëse të krijuara për t'u lidhur me tësinjalizimi diferencialkanalet.Pak "sinjal i përzierFPGA” kanë periferikë të integruarkonvertuesit analog në dixhital(ADC) dhekonvertuesit dixhital në analog(DAC) me blloqe të kondicionimit të sinjalit analog që i lejojnë ata të funksionojnë si asistem-në-një çip(SoC).^[20]Pajisjet e tilla mjegullojnë vijën midis një FPGA, e cila mbart ato dixhitale dhe zero në strukturën e saj të brendshme të programueshme të ndërlidhjes, dhegrup analog i programueshëm në terren(FPAA), i cili mbart vlera analoge në pëlhurën e tij të brendshme të programueshme të ndërlidhjes.

Blloqe logjike[redaktoni]

Artikulli kryesor:Blloku logjik

Ilustrim shembull i thjeshtuar i një qelize logjike (LUT -Tabela e kërkimit, FA -Mbledhja e plotë, DFF -Flip-flop i tipit D)

Arkitektura më e zakonshme FPGA përbëhet nga një grup prejblloqe logjike(të quajtura blloqe logjike të konfigurueshme, CLB, ose blloqe të grupeve logjike, LAB, në varësi të shitësit),Pads I/O, dhe kanalet e rrugëtimit.^[1]Në përgjithësi, të gjitha kanalet e rrugëzimit kanë të njëjtën gjerësi (numri i telave).Pllakat e shumta I/O mund të përshtaten në lartësinë e një rreshti ose gjerësinë e një kolone në grup.

“Një qark aplikimi duhet të hartohet në një FPGA me burime adekuate.Ndërsa numri i CLB-ve/LAB-ve dhe I/O-ve të kërkuara përcaktohet lehtësisht nga dizajni, numri i gjurmëve të nevojshme të rrugës mund të ndryshojë në mënyrë të konsiderueshme edhe midis modeleve me të njëjtën sasi logjike.(Për shembull, akaloni me shiritakërkon shumë më tepër rrugëtim sesa agrup sistolikme të njëjtin numër portash.Meqenëse gjurmët e rrugës së papërdorur rrisin koston (dhe ulin performancën) e pjesës pa ofruar ndonjë përfitim, prodhuesit e FPGA përpiqen të ofrojnë gjurmë të mjaftueshme në mënyrë që shumica e modeleve të përshtaten në aspektin etabelat e kërkimit(LUT) dhe I/O mund të jenëi shpartalluar.Kjo përcaktohet nga vlerësime të tilla si ato që rrjedhin ngaRregulli i qirasëose nga eksperimentet me dizajnet ekzistuese.”^[21]Që nga viti 2018,rrjet-në-çiparkitekturat për rrugëzim dhe ndërlidhje janë duke u zhvilluar.^{[citim i nevojshëm]}

Në përgjithësi, një bllok logjik përbëhet nga disa qeliza logjike (të quajtura ALM, LE, slice etj.).Një qelizë tipike përbëhet nga një LUT me 4 hyrje, ambledhës i plotë(FA) dhe aFlip-flop i tipit D.Këto mund të ndahen në dy LUT me 3 hyrje.Nëmënyrë normaleato kombinohen në një LUT me 4 hyrje deri në të parënmultiplekser(mux).Nëaritmetikemodaliteti, daljet e tyre futen në grumbullues.Zgjedhja e modalitetit është programuar në mux-in e dytë.Prodhimi mund të jetë osesinkronoseasinkron, në varësi të programimit të mux-it të tretë.Në praktikë, të gjithë ose pjesë të grumbulluesit janëtë ruajtura si funksionenë LUT për të kursyerhapësirë.^[22][23][24]

blloqe të forta[redaktoni]

Familjet moderne FPGA zgjerohen mbi aftësitë e mësipërme për të përfshirë funksionalitetin e nivelit më të lartë të fiksuar në silikon.Pasja e këtyre funksioneve të përbashkëta të ngulitura në qark redukton zonën e kërkuar dhe u jep atyre funksioneve shpejtësi më të madhe në krahasim me ndërtimin e tyre nga primitivë logjikë.Shembuj të tyre përfshijnëshumëzuesit, gjenerikeBlloqet DSP,procesorë të ngulitur, logjikë I/O me shpejtësi të lartë dhe të nguliturkujtimet.

FPGA-të e nivelit më të lartë mund të përmbajnë shpejtësi të lartëtransmetues me shumë gigabitdhebërthamat e forta IPtë tilla sibërthamat e procesorit,Ethernet njësitë e kontrollit të aksesit të mesëm,PCI/PCI Expresskontrollorët dhe kontrollorët e memories së jashtme.Këto bërthama ekzistojnë së bashku me pëlhurën e programueshme, por ato janë ndërtuar jashtëtranzistorënë vend të LUT-ve që të kenë nivel ASICperformancësdhekonsumi i energjisëpa konsumuar një sasi të konsiderueshme burimesh pëlhure, duke lënë më shumë pëlhurë të lirë për logjikën specifike të aplikacionit.Transmetuesit me shumë gigabit përmbajnë gjithashtu qark të hyrjes dhe daljes analoge me performancë të lartë së bashku me serializues dhe deserializues me shpejtësi të lartë, komponentë që nuk mund të ndërtohen nga LUT.Funksionaliteti i shtresës fizike të nivelit më të lartë (PHY) si p.shkodimi i linjësmund ose nuk mund të zbatohet së bashku me serializuesit dhe deserializuesit në logjikën e fortë, në varësi të FPGA.