مقاله بررسی ساختار FPGA در مدار

مقاله بررسی ساختار FPGA در مدار 

چکیده

در سال­های اخیر مدارمجتمع FPGA در زمینه­های گوناگون نظامی­و­صنعتی کاربرد­هایی پیدا کرده است.تعریف و­بررسی ساختار مدار­مجتمع FPGA و­بحث از بعضی ­کاربردهای آن­، در مدارهای مختلف را دراین مقاله پرداخته شده است.که برای چه­ازFPGA­در مدارها استفاده کنیم؟در مجموع  این کار­ها را نمی­توان با میکروکنترلرها انجام داده­ شود؟.FPGA­در اوایل دهه1990 به بازارعرضه شدو­از آن پس تولید این محصولات رشد قابل توجهی را پیدا کرد.FPGAهای نسل جدید مدارهای مجتمع دیجیتال قابل برنامه ریزی هستند که عبارت FPGA از سر کلمه های Field Programmable Logic Gate Array گرفته شده است .این IC را به هر مدار­منطقی دلخواهی که بخواهیم می توان تبدیل کرد. برای کارهای حرفه­ایی که اطمینان به سیستم شرط اول است-سرعت بالا-دقت بالا-استحکام و پایداری و­...­باید از­FPGA استفاده کرد-مثلا در 99% کارهای نظامی-پردازش دقیق­-­مکان­های بسیار حساس-ربات­های حرفه­ایی-ادوات فضایی-ماهواره­ها و...­ضریب خطا در این نوع سیستم­ها تقریبا نزدیک صفراست.اینمقالههمچنین،بهمنظوربررسیدقیق­ترمواردشرحدادهشده،­درچند­ینمطالعهموردیوعواملموثر در طراحی یا معماری ساخت آن­،­دررشد کارکرد آن در­مداروبرنامه نویسی در صنعتبرق پرداخته شده است. 

كلمات کلیدی: FPGA،ASIC ، PLD ، ALU، مدارات مجتمع وساختار 

مقدمه 

Field Programmable Gate Array یک IC کاملا قابل برنامه ریزی است.امروزه علاوه برمدارات مجتمع استاندارد­(IC)­،­مدارات مجتمع خاص که ApplicationSpecificIntegrated  Ciruts  و یا  ASIC­نام دارند نیز براساس نیاز مشتری ساخته می شود ولی ساخت این مدارات با توجه به تولید کم آن گران تمام می شود.برای حل این مشکل مداراتی ساخته شده از گیت­ها به بازار عرضه شد که ارزان­تر و پر­کاربرتر نیز می باشند.که به نام Computer Aided Logic یا CAD معرفی شدند که گیت­ها را در عرض چند ثانیه به هم متصل می کند و­قابل برنامه ریزی می باشد و اولین مدل آن را Programmable Logic Array یا PLA نامیدند و بعد از آن مدل­های دیگری به نام­های Programmable Logic Device یا PLD و Programmable Array Logic یا PAL و Complex Programmable Logic Device یا CPLD به بازار آمدن تا اینکه مدل مدار مجتمع قابل برنامه ریزی که اخیراً به دنیا عرضه شد به نام Field Programmable Gate Array یا FPGA که حدود 20000 تا چند میلیون گیت دارند و با تکنولوژی CMOS ساخته شده است FPGA و CPLD براساس سلول منطقی قابل برنامه ریزی طراحی شده اند که ارتباط بین سلول­ها نیز قابل برنامه ریزی می باشند FPGA را با توجه به این تعریف که تا اینجا از آن کردیم می توان گفت که برای طراحی مدارات دیجیتالی کاربرد خاصی دارد و چون برنامه پذیر هست می توان بسته به نیاز کار،­تغییراتی را در­آن ایجاد­کرد2).)

برنامه نویسی و طراحی مدارات با­FPGA ها

 به طور­کلی به 2 صورت انجام می­شود :
الف-با استفاده از زبان­های توصیف سخت افزاری مانند­VHDL ، AHDL ، HDL و...

زبان­های توصیف سخت افزاری مدار:وی‌اچ‌دی‌ال (به انگلیسی VHDL) یکی از زبان های توصیف سخت افزاری است.به طور کلی استفاده از زبان VHDL به دلیل استاندارد بودن آن ، کاربرد بیشتری در طراحی مدارات دارد­. VHDL نخستین بار توسط وزارت دفاع آمریکا به منظور طراحی و توصیف مدارهای مجتمع سرعت بالا طراحی شد و مورد استفاده قرار گرفت.سپس درسال 1987 توسط انجمن IEEE (انجمن مهندسان برق­و­الکترونیک)در قالب استاندارد 1076 IEEE - 1987ارائه گردید­.­پس از گذشت چند سال و انجام پاره ای از تصحیح­هایی، استاندارد دوم این زبان تحت عنوان 1076 IEEE -1993 در اختیار عموم قرار گرفت.به طور کلی می­توان مزایای زیر را در استفاده از زبان VHDL عنوان نمود .1 شبیه ساز ها و کامپایلرهای این زبان در دسترس و ارزان قیمت می­باشند.