Чому користувачі MCU можуть отримати вигоду від вивчення можливостей використання недорогих FPGA

• Базова архітектура FPGA 
• Як інструменти виробника FPGA дозволяють інженеру-проєктувальнику налаштувати апаратне забезпечення відповідно до вимог програми
• Відмінності між широким асортиментом недорогих FPGA на ринку

У перші роки існування програмованої логічної інтегральної схеми (ПЛІС) або FPGA, у 1980-х роках, обмеження напівпровідникової технології означали, що пристрої були невеликими та простими. Маючи лише кілька сотень логічних елементів, ці ранні ПЛІС використовувалися для інтеграції в один програмований чип функцій, які раніше були реалізовані в кількох дискретних логічних компонентах. Ринок FPGA стрімко зростав, оскільки інженери-конструктори визнали цінність, яку можна отримати від здатності FPGA зменшувати кількість компонентів, економити місце на платі та спрощувати компонування плати.

Прогрес у напівпровідникових технологіях означає, що FPGA трансформувалася з 1980-х років, ставши великим і складним пристроєм, який ми знаємо сьогодні: на високому рівні ринку FPGA мають мільйони логічних елементів, надшвидкісні інтерфейси, що підтримують передачу даних на вищих швидкостях понад 30 Гбіт/с, а також кілька жорстких IP-блоків із вбудованими процесорами, PLL, функціональною пам’яттю SRAM тощо.

Високоякісні ПЛІС є основними рішеннями для таких додатків, як обробка даних, створення зображень і обладнання для зв’язку з високою пропускною здатністю, привертають найбільшу увагу та отримують левову частку маркетингових і рекламних витрат галузі. Але корисно пам’ятати, що первісна роль малих FPGA все ще має цінність у таких функціях, як:

• Інтеграція логіки Glue
• Простий лічильник або ШІМ
• Базовий кінцевий автомат
• Логіка управління
• Мости введення/виведення та інтерфейсу
• Розширювачі вводу/виводу
• Агрегація кількох входів датчиків
• Моніторинг напруги​

Жвавий ринок невеликих недорогих FGPA підтримує ці та інші функції. Його важливість для OEM-виробників відображена в нещодавньому приході нового учасника на ринок FPGA, Renesas.

Проте думки щодо застосовності ПЛІС у звичайних промислових і побутових електронних пристроях залишаються розділеними. Інженери-конструктори, які знайомі з мікроконтролерами, зазвичай розглядають FPGA як щось чуже: дороге, енергоємне та складне у використанні.

Це може бути правдою щодо високоякісних FPGA, які постачаються Xilinx, яка зараз є частиною AMD, та Intel. Це точно не так щодо недорогих FPGA, які постачають Lattice Semiconductor, Microchip і Renesas. І фактично, використання FPGA пропонує кілька важливих переваг перед мікроконтролерами в багатьох функціях.

У MCU завдання реалізуються послідовно й програмно. У FPGA завдання виконуються паралельно та апаратно. Це створює привабливі характеристики роботи FPGA: високодетерміновану продуктивність, низьку затримку, гнучкість налаштування апаратного забезпечення та дуже низьке енергоспоживання.

Мета цієї статті полягає в тому, щоб забезпечити розуміння базової роботи FPGA і того, як інструменти проєктування, що постачаються виробниками FPGA, роблять реалізацію FPGA в дизайні електронних систем простим і передбачуваним.

Базова архітектура FPGA

FPGA складається з трьох основних елементів, як показано на малюнку 1:

• Програмовані логічні елементи (LE)
• Програмовані маршрутні з'єднання
• Конфігуровані входи/виходи, що забезпечують зв'язок із зовнішнім світом

Малюнок 1: FPGA забезпечує високопрограмовану апаратну структуру. Джерело: future electronics

Логічний елемент складається з конфігурованої таблиці пошуку (LUT) і послідовного елемента (SE). LUT можна налаштувати як будь-який тип комбінаторної логіки, наприклад OR, AND або XOR. SE, як правило, налаштований як простий тригер.

• LE є основним функціональним блоком FPGA, і тому кожна FPGA класифікується відповідно до кількості LE, які вона містить. Можна вважати, що низький рівень ринку FPGA охоплює FPGA з кількома сотнями LE до 10 000 LE.
• Програмоване з’єднання пов’язує налаштовані LE разом для реалізації функцій, необхідних програмі.
• Входи /виходи також програмуються та можуть бути налаштовані для підтримки будь-якого стандарту інтерфейсу введення/виведення.

Базовим апаратним забезпеченням, яке реалізує ці елементи, є величезна кількість програмованих перемикачів. У більшості FPGA ці перемикачі програмуються заново щоразу, коли FPGA включається. Для цього потрібно зберегти програмний файл у конфігураційній пам’яті: ця пам’ять може бути або внутрішньою в мікросхемі FPGA, або зовнішньою.

FPGA Microchip є винятком із цього правила: їхні програмовані перемикачі виготовлені за технологією, яка нагадує енергонезалежну флеш-пам'ять. Безпосередньо запрограмовані, вони не потребують файлу програмування або конфігураційної пам’яті.

Як налаштувати обладнання FPGA

Усі виробники FPGA надають власний інструмент для створення цього програмного файлу, більш відомого як бітовий потік. Кожен інструмент виробника в основному схожий на інші. Інструменти надають такі функції:

• Функціональний опис за допомогою стандартної мови опису обладнання (HDL), VHDL або Verilog
• Синтез
• Розміщення і маршрут
• Генерація програмного файлу

Малюнок 2: Потік проєктування FPGA підтримується інструментом, який кожен виробник FPGA надає для своїх пристроїв. Джерело: future electronics

Аналіз синхронізації є частиною процесу проєктування, щоб перевірити, чи затримка поширення, яка впливає на передачу сигналів через структуру маршрутизації, узгоджується з вимогами до продуктивності програми, показаними на малюнку 2. Також важливо змоделювати та перевірити код, створений за допомогою інструмент HDL, щоб перевірити, що функції, запрограмовані в FPGA, працюють відповідно до специфікації проєкту.

Ніщо в усьому процесі розробки FPGA не є таким складним, як реалізація аналізу синхронізації та симуляції RTL, і вони не є особливо складними. Усі інші етапи автоматично виконуються інструментом проєктування та займають лише кілька хвилин, щоб їх виконати на стандартному портативному комп’ютері.

Кожен виробник FPGA постачає власний набір інструментів. Основна відмінність між ними полягає в графічному інтерфейсі користувача. Легко переходити з одного на інший, якщо вихідний код був написаний за допомогою стандартної мови опису VHDL або Verilog. Використання інструментів, як правило, доступне користувачам FPGA за безкоштовною ліцензією. Оціночні плати FPGA доступні за низькою ціною.

Таким чином, вартість інструментів і ресурсів не є перешкодою для інженерів, які хочуть почати експериментувати з FPGA низького рівня.

Кілька варіантів недорогих продуктів FPGA

Ринок недорогих ПЛІС обслуговують три виробники: Microchip, Lattice і нещодавно Renesas.

Продуктовий портфель Microchip здебільшого орієнтований на ринок FPGA середнього класу. Однак деталі початкового рівня сімейства IGLOO ® 2 Flash FPGA вважаються FPGA нижчого рівня, як показано на малюнку 3.

Ключові характеристики бюджетних компонентів сімейства продуктів Microchip IGLOO 2 FPGA

Microchip надає інструмент Libero SoC для розробки IGLOO 2 FPGA. Ліцензія безкоштовна для пристроїв до 25 000 LE. ПЛІС IGLOO 2 відрізняються численними варіантами пам’яті, включаючи функціональну вбудовану енергонезалежну пам’ять, а також високошвидкісні інтерфейси.

Lattice протягом тривалого часу дотримується політики підтримки ринку FPGA з низькою щільністю затворів і має потужну пропозицію, засновану на двох сімействах: XO2/XO3 та iCE40.

Сімейство XO2/XO3 базується на летючій технології; забезпечує конфігураційну пам’ять на тому ж кристалі, що й матриця FPGA, надаючи розробнику однокристальне рішення FPGA без потреби у зовнішній пам’яті конфігурації.

Пристрої XO2/XO3 надають широкий вибір параметрів щільності, від усього лише 256 LE до 10 000 LE. Їх основні особливості:

• Практично миттєва робота завдяки вбудованій в чип енергонезалежній пам’яті конфігурації
• Одновольтні і малопотужні варіанти
• Жорсткі I2C і послідовні периферійні інтерфейси, PLL, флеш-пам'ять і внутрішній генератор

Інструмент дизайну Diamond для XO2/XO3 доступний у Lattice за безкоштовною ліцензією.

Інше сімейство ПЛІС низького класу Lattice, серія iCE40, розділена на кілька підсімейств: iCE40LP, iCE40UL, iCE5LP, iCE40UP, iCE40LM і iCE40HX. Сімейство охоплює діапазон від 384 LE до 8000 LE. У сімействі iCE40 компанія Lattice оптимізувала співвідношення потужність/розмір/продуктивність для низької потужності та невеликого розміру: статичний струм є найнижчим на ринку, менше 100 мкА. iCE40 також має найменший корпус FPGA в галузі, лише 1,4 мм x 1,4 мм.

Третій серед виробників FPGA низького класу, Renesas є останнім учасником ринку. Renesas добре відома своєю програмованою технологією змішаних сигналів GreenPAK™. Ця технологія тепер доповнена новою пропозицією FPGA.

Сімейство ForgeFPGA™ надає відносно невелику кількість програмованої логіки, яку можна швидко та ефективно розробити в економічно чутливих додатках. Пристрої ForgeFPGA забезпечують суттєву економію коштів порівняно з іншими альтернативами, включаючи конструкції без FPGA. Renesas надає центр програмного забезпечення для проєктування Go Configure™ для своїх FPGA за безкоштовною ліцензією.

Очікується, що сімейство пристроїв Renesas ForgeFPGA, що включає від 1000 LE до 4000 LE, буде доступним для зразків і виробництва в 2024 році.

Бюджетні ПЛІС: доступний варіант для неспеціалістів

FPGA широко вважають висококласним, дорогим і складним у використанні продуктом для високотехнологічних програм.

Насправді бюджетні FPGA — це повна протилежність. Таким чином, пропонуємо розглядати ПЛІС з іншої сторони, щоб визнати їх переваги в звичайних промислових і споживчих програмах, таких як керування декількома двигунами для рук роботів, керування моніторингом/оповіщеннями у заводському обладнанні, інвертори для зарядних пристроїв для електромобілів, системи керування акумуляторами, датчики обробки сигналів у програмах «розумні будівлі», «розумні міста» та багато іншого.

Сфера використання цих детермінованих малопотужних пристроїв дуже широка. Розробники мікроконтролерів, які вперше досліджують FPGA низького класу, побачать, що вони можуть багато отримати від цих зусиль.

За матеріалами future electronics

Компанія СЕА з 1990 року займається оптовою торгівлею на ринку України електронними компонентами для промислових підприємств. У програму поставок входять як пасивні компоненти (резистори, конденсатори, індуктивності, варистори, кварцові резонатори, розрядники, роз'єми, запобіжники, комутаційні вироби та ін.), так і активні компоненти (мікросхеми, транзистори, діоди, діодні мости, світлодіоди, рідкокристалічні індикатори, оптоприлади, запобіжники, датчики та ін.).

Компанія СЕА займається постачанням різноманітних електронних компонентів на територію України. Для того, щоб купити електронні компоненти або отримати кваліфіковану консультацію, зверніться в офіс Компанії СЕА за телефоном: +38 (044) 330-00-88 або по e-mail: info@sea.com.ua.