FPGA چیست ؟

با توجه به پیشرفت دنیای دیجیتال و همچنین عدم پاسخ گویی مدارات مجتمع معمولی برای پیاده سازی توابع پیچیده ، به مرور تراشه های جدیدی طراحی شده اند که با توجه به نیاز طراح ، دارای تعداد زیادی گیت و بلوک منطقی هستند . از این میان PLD ، PLA ، CPLD ، SPLD و FPGA ها مشخص ترین نوع این تراشه ها هستند که تعداد گیت های به کار رفته در آنها تا چندین هزار گیت می باشد .

FPGA ها نسل جدید مدارهای مجتمع دیجیتال قابل برنامه ریزی هستند که عبارت  FPGA از سر کلمه های Field Programmable Logic Gate Array گرفته شده است . سرعت اجرای توابع منطقی در FPGA ها بسیار بالا و در حد نانو ثانیه است . اگر بخواهیم FPGA ها را به طور ساده تشریح کنیم  . . .

FPGA چیست ؟ FPGA ها نسل جدید مدارهای مجتمع دیجیتال قابل برنامه ریزی هستند که عبارت FPGA از سر کلمه های Field Programmable Logic Gate Array گرفته شده است . سرعت اجرای توابع منطقی در FPGA ها بسیار بالا و در حد نانو ثانیه است . اگر بخواهیم FPGA ها را به طور ساده تشریح کنیم ، عبارت است از یک تراشه که از تعداد بالایی بلوک منطقی - LB (Logic Block) ، خطوط ارتباطی و پایه های ورودی / خروجی (IOB) تشکیل شده است که به صورت آرایه ای در کنار یکدیگر قرار دارند . خطوط ارتباطی که وظیفهء آنها ارتباط بین بلوک های منطقی است از سوئیچ های قابل برنامه ریزی تشکیل شده اند . این سوئیچ ها بسته به نوعی که دارند ، برخی تنها یکبار قابل برنامه ریزی هستند و برخی به تعداد دفعات زیادی برنامه ریزی می شوند .
بلوک های منطقی نیز دارای انواع مختلفی هستند که عموما توسط المانی پایه ، تمامی توابع منطقی را ایجاد می کنند . به عنوان مثال بلوک های منطقی در خانواده ACT-1 از شرکت Actel ، با پایهء مالتی پلکسری عمل می کنند . به این معنا که توسط مالتی پلکسر ، توانایی ایجاد توابع منطقی مختلف را دارند .
البته تعداد ورودی های هر بلوک منطقی متفاوت است و به نوع FPGA مربوط می شود . به عنوان مثال بلوک های منطقی در خانوادهء ACT-1 ، از نوع 8 ورودی است . البته در برخی موارد به بلوک های منطقی ، سلول های منطقی نیز گفته می شود (LC) .
بلوک دیاگرام یک FPGA به طور ساده در شکل زیر نشان داده شده است .

البته بسیاری از سلول های منطقی بر اساس جداول LUT ساخته می شوند . LUT از تعدادی سلولهای حافظه SRAM تشکیل می شود که در هنگام برنامه ریزی FPGA ، مقدار دهی می شوند . به طور خلاصه LUT عبارت است از تولید توابع آماده برای استفاده در سلول های منطقی .
پیاده سازی توابع مختلف نیز به وسیلهء در کنار هم قرار گرفتن بلوک های منطقی و همچنین تنظیم ارتباط بین هر بلوک و به عهده گرفتن پردازش اطلاعات توسط هر بخش انجام می شود .

نکته :

مبحث مربوط به FPGA ها بسیار گسترده است . دلیل این امر گوناگونی معماری ساخت برای FPGA های هر شرکت سازنده است . به عنوان نمونه در ساختار منطقی بلوکها ، ترکیب های متفاوتی وجود دارد که هر شرکت از ترکیب خاص خود استفاده می کند . بنابراین تنها به صورت کلی به بررسی ساختار FPGA پرداخته شد .
علاوه بر اجزای گفته شده ، ممکن است برخی قسمت های داخلی نیز برای FPGA تعبیه شده باشد ، نظیر ALU و ... که بستگی به طراحی شرکت سازنده دارد .



کاربرد FPGA :

FPGA در پیاده سازی توابع نسبتا پیچیده و پیچیدهء دیجیتال به کار می روند که نیاز به سرعت پردازش بالایی دارد . علاوه بر این کاهش سخت افزار مورد نیاز و همچنین برنامه نویسی ساده و استاندارد نیز از دیگر مزیت های استفاده از FPGA است .


برنامه نویسی و طراحی با FPGA :

برنامه نویسی و طراحی مدارات با FPGA ها به طور کلی به 2 صورت انجام می شود .
- با استفاده از زبان های توصیف سخت افزاری مانند VHDL ، AHDL ، HDL و ...
- با استفاده از طراحی مدار

این عمل توسط نرم افزارها و ابزارهای برنامه ریزی مختص به هر خانواده انجام می شود که توسط شرکت های سازنده در اختیار طراحان قرار می گیرد . به عنوان نمونه MAX + Plus || و QUARTUS || ابزار های برنامه ریزی FPGA های ساخت شرکت ALTERA هستند .