O CPLD é uma matriz que pode ser equivalente à GAL.O modelo matemático de programação é baseado na multiplicação polinomial e nos circuitos AND, e a adição polinomial é nos circuitos OR. Então, qual é o mecanismo de programação do nosso FPGA? Por que ele pode implementar qualquer uma de nossas expressões de função? Na última palestra, já sabemos que a tecnologia de implementação do FPGA pode ser dividida em três características estruturais e mecanismos de implementação do FPGA, que são baseados na tecnologia SRAM, tecnologia anti-fusível e tecnologia E2PROM / FLASH.
Em termos de estrutura do circuito, o FPGA programável refere-se ao programável em três aspectos, um é um bloco lógico programável, um é IO programável e o outro são recursos de fiação programáveis. O bloco lógico programável é o núcleo do FPGA programável; nesta seção, focamos neste aspecto da discussão programável.
1 Com base no princípio da tecnologia SRAM
1.1 SRAM e DRAM
Como mencionamos anteriormente, o FPGA mais antigo é baseado na tecnologia SRAM, que atualmente é o que mais cresce atualmente: o chamado cedo, mais longo o caminho. Então, do que estamos falando sobre a tecnologia SRAM? Sobre esse conceito, alguns iniciantes podem ser muito vagos.
Diz-se que a RAM semicondutora possui RAM dinâmica e estática, ou seja, DRAM e SRAM. Podemos tocar um pouco mais na DRAM, porque se tivermos montado nossas próprias máquinas ou comprado um computador, consideraremos um problema de tamanho de memória.A maior parte dessa memória no mercado é dinâmica desde o início da DDR até a DDR2. Agora para DDR3. A diferença entre DRAM e SRAM é que a DRAM é atualizada a intervalos, e a menor unidade de DRAM precisa apenas de um par de transistores e capacitores.Em comparação com a SRAM, economiza muito silício. Mas a desvantagem é que a DRAM exige um circuito adicional de atualização de tempo.Para DRAM em pequena escala, o consumo desse circuito de atualização não vale a pena. Algumas pessoas duvidam que isso possa ser considerado em larga escala. É esse o caso. Se a escala for grande, sempre haverá um limite. A área total de silício consumida pela DRAM (incluindo o circuito de atualização) será menor que a área de silício consumida pela SRAM. Mas no que diz respeito ao programável, ainda existem algumas deficiências e a implementação é mais complicada. Mas talvez a tecnologia melhore no futuro.Quando mais atenção é dada à área de silício, o FPGA baseado na tecnologia DRAM aparecerá.
Por outro lado, a SRAM não requer atualização dinâmica, mas sua menor unidade é uma estrutura multi-transistor que consome mais área de silício. A razão pela qual a atualização dinâmica não é necessária é porque, uma vez que a célula SRAM é carregada com dados, ela permanece descarregada, mas se todo o sistema de fonte de alimentação for cortado, os dados de configuração do dispositivo serão perdidos, o que significa que esse dispositivo está no sistema Ele precisa ser reconfigurado quando a energia está ligada. No entanto, a característica deste dispositivo é que ele pode ser programado rápida e repetidamente, o que também foi o grande motivo pelo qual a tecnologia SRAM foi selecionada para implementar o FPGA naquele momento.
1.2 SRAM constitui mecanismo FPGA
Sabemos que matematicamente qualquer lógica pode ser implementada ou aproximada por polinômios finitos.O CPLD é implementado da perspectiva de polinômios específicos para mapear e implementar a partir do circuito. Então, ampliamos algumas idéias e consideramos diretamente a partir dos resultados polinomiais. Para diferentes combinações de entradas, podemos obter diferentes resultados polinomiais. Se salvarmos esses resultados e indexarmos os resultados com diferentes combinações de entradas, poderemos gerar diretamente os resultados polinomiais. Também. Naquele momento, a idéia do FPGA baseado na tecnologia SRAM era essa: trouxe as possíveis combinações de entradas para o polinômio para cálculo, armazenou o resultado na SRAM e indexou a entrada para obter o resultado. Essa SRAM que armazena os resultados é chamada de tabela de pesquisa LUT, e alguns dizem que FPGAs são baseados na tecnologia LUT.Na verdade, nosso FPGA baseado na tecnologia SRAM é a essência desse FPGA baseado na tecnologia LUT. Mencionaremos a tecnologia E2PROM / FLASH posteriormente. FPGA, na verdade, é FPGA baseado na tecnologia LUT. O mecanismo de implementação do FPGA baseado na tecnologia LUT converte todas as entradas possíveis antecipadamente por meio de um sintetizador para obter todos os resultados possíveis e, em seguida, carrega esses resultados na unidade de armazenamento LUT e indexa os resultados correspondentes através de entradas diferentes. É o mecanismo lógico da implementação do FPGA baseado na tecnologia LUT.
1. 3 discussão LUT
No exemplo acima, vemos que o LUT usado é de três entradas, a unidade de armazenamento tem tamanho de 8 bits, para a mesma área de bloco, quanto mais LUT em pequena escala é melhor ou menos LUT maior Ok Esta é a questão que discutiremos a seguir. Para uma tabela de consulta n-input, ela pode implementar qualquer função com funções combinadas n-input.Se um bit de entrada for adicionado, a complexidade da função que ele pode alcançar é aumentada exponencialmente e, é claro, a SRAM usada também é aumentada exponencialmente. Na história, o primeiro FPGA foi baseado em um LUT de 3 entradas e os LUTs que apareceram mais tarde têm tipos híbridos de 3 entradas, 4 entradas, 5 entradas, 6 entradas e 6 chips e no chip (ou seja, eles têm dois ou mais tipos. LUT). De qualquer forma, o que é necessário saber é que, quanto menor a tabela de pesquisa, maior a taxa de utilização da configuração, mas maior a carga de trabalho do sintetizador lógico. Após algumas medições finais de desempenho e custo, os filmes dos principais fabricantes do mercado baseiam-se no LUT de 4 entradas, mas em alguns dispositivos de ponta, como o Xilinx V4 e as séries acima, existem LUT de 4 entradas e LUT de 5 entradas. A principal consideração é que, à medida que a área aumenta, todas as 4 entradas são usadas e a carga de trabalho do sintetizador é muito grande.Se todas as 5 entradas forem usadas, uma grande parte da taxa de utilização da LUT não será muito alta. A escala funcional também deve ser implementada com um LUT de 5. A 1 entrada restante não pode ser reutilizada e é desperdiçada. Após essa síntese, os LUTs de 4 e 5 entradas estão disponíveis. Com o desenvolvimento da tecnologia, acredita-se que quantas LUTs de entrada constituem FPGA mudam com base na maioria das atuais 4 entradas. Para nossos desenvolvedores lógicos, depois de determinar a plataforma de desenvolvimento, depois de esclarecer a LUT que constitui esse tipo de FPGA, devemos fazer uso total da LUT ao escrever a lógica.Se a LUT que constitui essa FPGA for de 4 entradas, a largura do sinal lógico Tente usar um múltiplo de 4, por exemplo, se você usar um contador com 23 bits de largura, é recomendável usar 24 bits de largura. Um é não desperdiçar recursos e o outro é evitar o excesso de contagem, a menos que seja projetado propositadamente para 23 bits. Adicione 1 para limpar.
1. 4 com base nas vantagens e desvantagens da SRAM
Pelo entendimento acima, conhecemos o mecanismo programável do FPGA baseado na tecnologia SRAM.Quais são as vantagens e desvantagens do FPGA baseado nessa tecnologia? Vou fazer um resumo a seguir. Quando as três tecnologias foram descritas anteriormente, foi mencionado que os FPGAs baseados na tecnologia SRAM podem ser reconfigurados repetidamente, o que significa que os designers podem baixar repetidamente a lógica do projeto para verificação e modificar rapidamente o design após uma vez. A reconfiguração é um dos seus principais recursos.Uma outra vantagem é que os fabricantes de FPGA podem contar com o poder de uma grande empresa dedicada ao P&D de dispositivos de armazenamento para promover o desenvolvimento de FPGA. oficialmente, devido a isso, os FPGAs baseados em SRAM Outras tecnologias são avançadas ou até várias gerações. Não há coisa perfeita no mundo, nem o FPGA é baseado na tecnologia SRAM. Como ele tem a vantagem de ser reconfigurável, a desvantagem é que toda vez que o sistema é desligado, os programas carregados anteriormente são perdidos e o sistema precisa ser ligado. Reconfigure. A configuração é guiada a partir do dispositivo de armazenamento externo dedicado externo, que gera custos no nível da placa e consumo de área.
Outra questão que precisamos considerar ao usar FPGAs baseados na tecnologia SRAM é a segurança. Todo mundo sabe que existem muitos circuitos e quadros de cópias mais complicados, e eles começaram no final dos anos 80 e início dos anos 90, mas ainda era um teste na época.Um deles é o mais avançado. Da mesma forma, o design do FPGA precisa considerar a proteção da propriedade intelectual. Os arquivos de dados usados para ligar o FPGA com base na tecnologia SRAM são armazenados na memória externa. Embora não exista uma ferramenta comercial capaz de ler o arquivo de configuração armazenado e convertê-lo no diagrama esquemático e na descrição do logotipo da rede correspondentes, isso também é uma questão de tempo.
2 Com base no princípio da tecnologia anti-fusível
2.1 Fusíveis e anti-fusíveis
Antes de descrever o princípio do circuito baseado na tecnologia anti-fusível FPGA, vamos primeiro dar uma olhada no que é um fusível e no que é um anti-fusível, para evitar que todos sempre carreguem esse problema na descrição a seguir, e quanto mais você olhar para ele, mais difícil será. Podemos não ter o conceito de fusíveis, mas acredita-se que o conceito de fusíveis esteja mais próximo de nossas vidas. Eles não têm apenas uma relação de arame. Na verdade, o princípio é o mesmo. Quando eu era criança, era a velha geração de medidores de eletricidade. Várias famílias compartilhavam um medidor de eletricidade. Eu usava mais aparelhos elétricos à noite, especialmente quando a TV no campo era uma coisa boa para passar o tempo. Da noite para a noite, a energia era grande. O fusível estava queimado. Naquela época, não havia escassez de equipamentos na casa. Olhando para as escadas dos adultos, estava quase pronto. Eu pensei que eles eram muito poderosos. Reparar a eletricidade tornou-se o sonho naquele momento. Naturalmente, aprendi mais tarde como é fácil conseguir. O fusível aqui é um fusível pequeno, tão pequeno que só pode ser visto com um microscópio, e sua matéria-prima básica também é o silício. O fusível será sobrecarregado e queimado quando a energia estiver alta, e o fusível também será desconectado quando encontrar uma corrente grande e uma grande tensão. E os antifuses? Os anti-fusíveis só podem ser adivinhados a partir do texto, e seus princípios técnicos são exatamente o oposto. No início, o anti-fusível é um pilar de silício amorfo em miniatura que conecta dois fios de metal.No estado não programado, o silício amorfo é um isolador, o que significa desconectado. Ele se tornará um condutor com pouca resistência, quase um caminho.
2.2 Mecanismo de programação de fusíveis e anti-fusíveis
Provavelmente conhecemos o conceito deste anti-fusível.Como usamos essa tecnologia para realizar nossa matriz lógica programável em larga escala? Vamos primeiro ver alguns exemplos simples para ver como nossos fusíveis e anti-fusíveis formam a lógica programável de nossa lógica simples. De fato, o primeiro conhecido por permitir que desenvolvedores programem dispositivos é essa tecnologia de fusíveis.
Seja um fusível ou um anti-fusível, é equivalente a um interruptor, mas a operação de programação de fusíveis é a desconexão reversa da lógica necessária e a operação de programação anti-fusíveis é conectar a lógica necessária. Isso fornece uma base programável para FPGAs anti-fusíveis. Deve-se observar aqui que nossos FPGAs atuais, baseados em várias tecnologias, não possuem FPGAs baseados em fusíveis, mas existem tecnologias de fusíveis em PROMs programáveis; portanto, a programação do fusível também é integrada aqui. Para fazer uma anotação, também é impossível ver um fusível FPGA no futuro.
2.3 Unidade mínima MUX
O que é MUX? Na introdução do FPGA baseado na tecnologia SRAM, são construídos circuitos de portas, um multiplexador com duas opções. Por que introduzi-lo? Constitui a estrutura básica baseada no FPGA anti-fusível, como está estruturada? Vejamos primeiro este multiplexador simples de dois para um, como mostra a figura.
Selecione um anti-fusível na entrada dos sinais de entrada s, a, b para energização e alongamento. Não sei se você acha que não há regra. Quando ocorre uma operação de multiplicação, há um sinal s ou seu sinal inverso, que é um sinal de chave de seleção de um dos dois; quando ocorre uma operação de adição, os dois adendos são adicionados como duas opções. Um é o sinal selecionado. É sabido pela estrutura do CPLD que, com multiplicação e adição, qualquer polinômio pode ser realizado e qualquer função pode ser realizada ou aproximada. Em alguns lugares, diz-se que o FPGA baseado na estrutura MUX e a estrutura FPGA baseada na tecnologia anti-fusível são pelo menos uma coisa no momento, porque não há FPGA baseado em outras tecnologias que sejam a estrutura MUX.
2.4 Discussão sobre as vantagens e desvantagens da tecnologia anti-fusível
Como é uma discussão, temos que discuti-la com perguntas. Por que temos este FPGA baseado na tecnologia SRAM e usamos a tecnologia anti-fusível? Por que isso acontece? Que tipo de demanda precisa disso? Com essas perguntas, vamos falar sobre as vantagens e desvantagens da tecnologia anti-fusível.
Após a introdução da tecnologia SRAM acima, sabemos que a maior desvantagem da tecnologia SRAM é a incompatibilidade na inicialização e a reconfiguração na inicialização.O periférico deve usar um chip de memória de configuração, ocupando espaço na placa e o próprio FPGA baseado em SRAM é o menor A área da unidade é relativamente grande, o que determina a grande área do FPGA com lógica equivalente obtida por ele. No entanto, o FPGA baseado na tecnologia anti-fusível não é volátil e os dados de configuração ainda existem depois que o sistema é desligado. Depois que a energia é ligada, o sistema será usado imediatamente sem chips de memória de configuração adicionais para configurar, o que economiza placas adicionais. Área nivelada, e apesar da necessidade de circuitos de programação adicionais baseados em anti-fusíveis, mas quando a escala atingir milhões, sua densidade será muito óbvia, e agora alguns baseados na tecnologia SRAM alcançaram esse nível. Escala, para que isso se torne cada vez mais óbvio no futuro. De fato, se você for cuidadoso, descobrirá que a maioria dos chips FPGA da ACTEL é muito pequena em área.
Outra grande vantagem do FPGA anti-fusível é que ele pode competir com os FPGAs baseados em outras tecnologias para sobreviver: é radiação inerentemente imune. Isso é muito útil para ocasiões com requisitos especiais, como aeroespacial militar. Nessas circunstâncias, a unidade de armazenamento LUT no FPGA com base na tecnologia SRAM é exposta a radiação externa, e os raios do fluxo de partículas farão com que as lógicas 1 e 0 armazenadas na SRAM se alterem, levando ao distúrbio de toda a função lógica. Embora os FPGAs baseados em SRAM tivessem soluções iniciais para esses ambientes, eles usaram vários designs redundantes para o design e adotaram vários vieses.Uma tabela salvou várias cópias.Quando uma ou várias cópias foram revertidas, a maioria delas não foi revertida. , O programa ainda pode ser executado normalmente após ser julgado, mas essa não é uma solução fundamental para o problema, mas apenas para reduzir a probabilidade de ocorrência de erros, ela também é satisfeita consumindo várias vezes os recursos. De fato, os dispositivos anti-fusíveis ainda têm algumas vantagens, como baixo consumo de energia, atraso rápido etc. A questão é que, com tantos benefícios, por que o desenvolvimento de FPGAs baseados na tecnologia SRAM está muito atrasado? O problema é que, no processo de fabricação anti-fusível, é necessário um processamento muito complicado, e a capacidade não é boa. Mas no desenvolvimento subsequente, essas tentações ainda atrairão a atenção dos fabricantes.
3 Baseado no princípio da tecnologia FLASH
3.1 FLASH
FLASH Acho que todos estão familiarizados com isso, ou seja, a memória flash que ouvimos com frequência, que é frequentemente usada em nossas vidas e estudos. Se você deseja acompanhar o desenvolvimento da tecnologia FLASH, pode voltar à EPROM e à EEPROM. A memória flash possui a unidade de transistor de porta flutuante da EPROM, por um lado, e a fina camada de óxido da EEPROM, por outro lado, portanto, tem apagamento elétrico e outros aspectos estruturais. As características são semelhantes à EEPROM com dois transistores, para que a operação em unidades de palavras possa ser realizada. Para circuitos específicos, podemos encontrar introduções relacionadas a semicondutores.Para entendermos o FPGA, basta conhecer esse nível.
3.2 Estrutura FLASH FPGA
Depois de ter uma certa compreensão do FLASH, vamos dar uma olhada no princípio do FPGA baseado no FLASH.No que diz respeito ao mercado, FPGAs com estrutura FLASH pura são raros, e mais são FPGAs na forma de uma mistura de FLASH e SRAM. Como mostra a figura XX. Entre eles, o SRAM é usado para formar o circuito quando o dispositivo funciona normalmente, e o FLASH é usado para configurar o SRAM na inicialização.O próprio FLASH não é volátil após o desligamento, portanto, não é necessário um circuito de configuração adicional fora do chip.
3.3 Vantagens e desvantagens do FLASH FPGA
Como o principal fabricante do FPGA baseado na arquitetura FLASH do mercado é a ACTEL, a maioria deles é baseada no FLGA FPGA da ACTEL. O primeiro é a reconfigurabilidade de chip único. Como mencionado anteriormente, os FPGAs baseados em anti-fusíveis não requerem armazenamento de configuração adicional, mas são programação única.Eles são usados em produtos mais maduros e não podem ser configurados e verificados repetidamente.Os FPGAs baseados na tecnologia SRAM podem ser baixados e verificados repetidamente, mas exigem Os dispositivos de memória de configuração externa requerem um certo tempo de atraso na configuração após a inicialização. Nem é muito satisfatório. O FPGA baseado na tecnologia FLASH obteve vantagens em ambos: pode baixar a configuração repetidamente e não precisa de um chip extra de configuração extra-chip.
O segundo é de alta segurança. O grande problema dos FPGAs baseados em SRAM é que a segurança é difícil de garantir.Com o trabalho duro, os funcionários de engenharia reversa podem analisar os arquivos de configuração da memória fora do chip e introduzir sua estrutura de lista de rede de circuitos. O FPGA da arquitetura FLAHS da ACTEL pode proteger o circuito de três níveis. A primeira camada é a proteção dessa camada física. No dispositivo FLASH de terceira geração da ACTEL, o transistor possui várias camadas de proteção de metal. É muito difícil removê-lo e é difícil obter reversão. Ao mesmo tempo, a configuração no chip é usada, para que você não precise se preocupar com a energia. O fluxo de dados foi interceptado durante a configuração. A segunda camada é baseada na tecnologia de criptografia FLASH LOCK, que impede a operação não autorizada do chip, fazendo o download da chave para criptografia.Depois de carregar a chave, a única maneira de ler dados do dispositivo ou gravar dados é JTAG Port. A terceira camada é o algoritmo de criptografia, que usa o algoritmo de criptografia AES. Atualmente, o algoritmo só pode usar força bruta. No entanto, a velocidade atual da porta JTAG é de cerca de 20 MHz. De acordo com a chave de 128 bits, uma senha é calculada em 1 segundo. Para a chave, tem que contar centenas de milhões de anos.
A terceira grande vantagem é o baixo consumo de energia, e o baixo consumo de energia da ACTEL também é seu ponto de venda. Especialmente os requisitos de baixo consumo de energia de muitos dispositivos portáteis. Existem quatro aspectos principais do consumo de energia FPGA, a saber, consumo de energia de inicialização, consumo de energia de configuração, consumo de energia estática e consumo de energia dinâmico. O FPGA do tipo FLASH da ACTEL não requer corrente grande para iniciar, e é não volátil, quase sem consumo de energia e consumo de energia de configuração e, por ser comparado aos 6 transistores do comutador programável do SRAM FPGA, Apenas dois são necessários: consumo de energia estática ou consumo de energia dinâmico, ambos altamente competitivos.
Existem muitas vantagens do FPGA do tipo FLASH, como outro ponto de venda, em comparação com a estabilidade do tipo SRAM, pode resistir à radiação, baixo custo, etc., mas o fato é que a maior parte do mercado ainda é ocupada pela ALTERA e XILINX, o principal problema Como o FPGA baseado na tecnologia anti-fusível, há mais processos no processo de produção, mais processos. O aprimoramento de uma tecnologia requer a melhoria de cada processo, algo semelhante ao princípio do balde. Para os fabricantes de FPGA que não participaram desse tipo antes, é algo que eles não estão dispostos a fazer, a menos que seu campo seja fortemente impactado.
