FPGA İle Sayısal Devre Tasarımı

FPGA ile SAYISAL DEVRE TASARIMI
Gömülü Sistemler
Herhangi bir sistem içerisinde yer alarak, o sistemi akıllı hale getiren elektronik donanım ve yazılım ile oluşmuş entegre sisteme gömülü sistem denir. Bu yazılımların bilgisayarlarımızdaki yazılımlardan en büyük farkı tek bir görevi yerine getirmesi ve kullanıcıyla dolaylı olarak etkileşimde bulunmasıdır. Günlük yaşantımızda kullandığımız eşyalarımızın hemen hemen hepsinde bu sistemi görmek mümkündür. Kişisel bilgisayar, yazıcı, tarayıcı, hesap makinesi, cep telefonu, televizyon fotoğraf makinesi, bulaşık makinesi, elektronik oyuncaklar vb. Gömülü sistemler, genellikle daha büyük bir sistemin içinde “gömülü” olarak çalışırlar. Örneğin bir çamaşır makinesinde veya buzdolabında  birçok mekanik bölüm olmasıyla birlikte, bütün bunları kontrol eden bir veya birden fazla mikro denetleyici tabanlı sistem bulunur. Bu sistemler kullandığımız cihazların “akıllı olmasını” sağlayan, beyin vazifesi gören birimlerdir. Örneğin: buzdolabının kapağını açtığımızda ışığının yanması bu beyin vazifesi gören birim sayesinde olan bir işlemdir.

FPGA Yapısı
FPGA temel olarak Mantık Hücreleri (Logic Cell), Giriş/Çıkış Blokları (IO Block) ve Arabağlantılar'dan oluşur.

Mantık Hücresi (Logic-Cell)                                                                                                               
FPGA’in ana yapısını Mantık Hücreleri oluşturur. Bir Logic-Cell 1 adet Lookup Table (LUT), 1adet D Flip-Flop ve bir adet 2 to 1 Mux’ tan oluşur.
                                   
LUT 'lar aslında bir mantık işlemi yerine getiren küçük belleklerdir (RAM). N girişli bir LUT, 2 eN ’li bir belleğe işaret eder. Binlerce Mantık Hücreleri' nin birleşimi sonucunca kompleks ve büyük programlar oluşturulur. Mantık hücrelerinin ara bağlantıları matris şeklindeki veri yolları ve programlanabilir anahtarlarla (FPGA yüklenen programa göre) sağlanır. FPGA tasarımı, her bir mantık hücresinin uygulayacağı fonksiyonu ve programlanabilir anahtarların durumunu (açık/kapalı) belirleyerek bu mantık hücreleri arasındaki bağlantıları tanımlar.


FPGA Pinleri
FPGA pinleri genel olarak 2 kategoriye ayrılır.
  • Ayrılmış pinler (Dedicated pins)
  • Kullanıcı pinleri (User pins)
a) Ayrılmış Pinler
Bir FPGA 'de tüm pinlerin %20 ila %30'u ayrılmış pindir. Bu pinler, FPGA 'de gerçekleştirdikleri özel fonksiyonlara göre 3'e ayrılır.
  • Güç Pinleri: FPGA için gerekli olan güç ve ground (Toprak) sağlayan pinlerdir.
  • Konfigürasyon Pinleri: Oluşturulan programın FPGA yüklanmesi (download) için kullanılan pinlerdir.
  • Clock Pinleri:  Clock sinyalleri için ayrılmış özel pinlerdir.
b) Kullanıcı Pinleri
Bunlar kullanıcı tarafından konfigüre edilebilen standart I/O pinleridir. Input, Output, Input/Output olarak üç kategoriye ayrılır. Her bir I/O pini FPGA'de bir IO hücresine bağlıdır. IO hücrelerinin güçleri VCCIO tarafından sağlanır. Eski FPGA' ler birden fazla VCCIO pinine sahip olmalarına rağmen, bütün pinler aynı voltajla beslenirdi. Yeni üretilen FPGA 'lerde ise IO'lar gruplara ayrılabilir ve bu gruplar farklı voltajlardan beslenebilirler. Böylelikle bir grup IO pinleri 3.3 V ile çalışırken; diğer grup IO pinleri de 2.5 volt ile çalışabilmektedir.

CLOCK ve GLOBAL Lines
FPGA genellikle senkronize dizayn edilir. Yani FPGA tasarımları clock tabanlıdır ve FPGA içerisindeki D Flip-Floplar, clock sinyalinin yardımıyla durum değiştirirler. Senkronize dizaynlarda bir clock sinyalinin, bütün flip-flop'ları aynı anda tetiklemesi gerekir. Aksi takdirde FPGA'de elektriksel ve zamansal problemler oluşmaktadır. FPGA üreticileri bu problemleri ortadan kaldırabilmek için, "Global Routing"  veya "Global Line" olarak adlandırılan özel bir iç bağlantı geliştirmişlerdir. Bu bağlantı sayesinde, Clock sinyalinin FPGA içerisindeki bütün Flip-Flop'lara aynı anda ulaşması sağlanır. 
Bundan dolayı clock beslemelerinin, FPGA' in clock için ayrılmış pinlerinden verilmesi gerekir.

RAM Blokları
Günümüzde FPGA’ lerin hemen hepsinde ayrılmış RAM yani bellek üniteleri bulunmaktadır. Bunlar mantık devrelerinin işleyişi sırasında duyulan geçici depolama ihtiyacı için kullanılırlar. Bu RAM’ ler tek veya çoklu erişimi destekleyebilirler.  Çoklu erişimde birden fazla uygulama  RAM üzerinde okuma/yazma yapabilmektedir. Çoklu erişim farklı clock ’ta çalışan işlem blokları arasında veri aktarımı için iyi bir çözümdür. Örneğin 25 MHz clock ile çalışan bir veri toplama ünitesinden 50 Hz ile çalışan bir veri işleme ünitesine veri aktarmak için 2 port’ lu bir RAM kullanabiliriz. 25 MHz ile çalışan veri toplama ünitesi veriyi RAM’ e yazar ve 50 MHz de çalışan veri işleme ünitesi veriyi RAM’ den okuyarak kullanır. FPGA içerisinde büyük RAM ihtiyaçları için Block RAM’ ler bulunurken küçük veriler için mantık hücreleri arasına serpiştirilmiş dağınık küçük RAM’ ler bulunmaktadır. Dağınık RAM için Xilinx ihtiyaca göre mantık hücrelerinin bazılarını RAM olarak kullanırken Altera block RAM’ leri FPGA içerisinde değişik boyutlarda paylaştırmaktadır.


FPGA Mimarisi
FPGA ’lar birçok firma tarafından üretilir ve birbirinden farklı yapıda bulunabilirler. Bu farklılıklara rağmen cihazlar arasında tasarım mimarisi açısından birçok benzerlik bulunmaktadır. FPGA; programlanabilir mantık blokları, bu blok dizisini çevreleyen giriş-çıkış blokları ve ara bağlantılar olmak üzere düzenlenebilir üç ana bölümden oluşmuştur. Programlanabilir mantık blokları, ara bağlantılar içerisine gömülü şekilde bulunur. Bunların yapılandırılması ve aralarındaki iletişim ara bağlantılar sayesinde gerçekleşir. Giriş-çıkış blokları, ara bağlantılar ile bütünleşmiş devrenin paket bacakları arasındaki bağlantıyı kurar.




FPGA’ nın Kullanım Alanları
·         ASIC tasarımında
·         Sayısal işaret işlemede
·         Yazılımsal mikroişlemci tasarımında
·         Haberleşme ağlarında iletişim ağı protokolleri kurmada
·         Donanım simülasyonlarında



Yorumlar

Yorum Gönder

Bu blogdaki popüler yayınlar

VLSI Devre Tasarımı

VLSI DEVRE TASARIMI VLSI Giriş Çok Geniş Ölçekli Tümleşim   (VLSI), binlerce transistorun tek bir   yonga   üzerinde birleştirilmesi ile   Tümleşik Devrelerin   oluşturulması işlemidir. Çok Geniş Ölçekli Tümleşim, 1970'li yıllarda karmaşık   yarı iletken   ve iletişim teknolojilerindeki gelişmelerle başlamıştır. Günümüz teknolojilerinde birim alana sığdırılabilen   transistor   sayısının milyarlar seviyesine çıkması ile bu terim yerini   ULSI ifadesine bırakmaya başlamıştır. İlk   yarı iletken   teknolojideki   yonga   2 transistorden oluşmaktadır. Zamanla gerçekleşen ilerlemeler sayesinde birim alana çok daha fazla   transistor   eklenebilmiş ve bunun sonucunda daha fazla sayıda bağımsız fonksiyonların ve sistemlerin tümleşimi gerçekleştirilmiştir. İlk   tümleşik devreler   diyot ,   transistor ,   direnç   ve   kondansatör   gibi devre elemanlarından çok az bir kısm...
Devamı

Yapay Sinir Ağlarına Giriş

YAPAY SİNİR AĞLARINA GİRİŞ Yapay Sinir Ağları Yapay sinir ağları (YSA), insan beyninin bilgi işleme tekniğinden esinlenerek geliştirilmiş bir bilgi işlem teknolojisidir. YSA ile basit biyolojik sinir sisteminin çalışma şekli taklit edilir. Taklit edilen sinir hücreleri nöronlar içerirler ve bu nöronlar çeşitli şekillerde birbirlerine bağlanarak ağı oluştururlar. Bu ağlar öğrenme, hafızaya alma ve veriler arasındaki ilişkiyi ortaya çıkarma kapasitesine sahiptirler. Diğer bir ifadeyle, YSA’ lar normalde bir insanın düşünme ve gözlemlemeye yönelik doğal yeteneklerini gerektiren problemlere çözüm üretmektedir. Bir insanın, düşünme ve gözleme yeteneklerini gerektiren problemlere yönelik çözümler üretebilmesinin temel sebebi ise insan beyninin ve dolayısıyla insanın sahip olduğu yaşayarak veya deneyerek öğrenme yeteneğidir. YSA’ lar ağırlıklandırılmış şekilde birbirlerine bağlanmış birçok işlem biriminden oluşan matematiksel sistemlerdir. Bir işlem birimi, diğer nöronlardan sinyalleri a...
Devamı

İnsan Bilgisayar Etkileşimi

İNSAN – BİLGİSAYAR ETKİLEŞİMİ İnsan Bilgisayar Etkileşiminin Tanımı İnsan Bilgisayar Etkileşimi, etkileşimli teknolojilerin tasarımı, değerlendirmesi ve uygulaması ile ilgilenen disiplinler arası bir çalışma alanıdır. İnsan Bilgisayar Etkileşimi çalışma alanı, insan ve bilgisayar arasındaki etkileşimi konu edinmesinden dolayı insan davranışı, psikoloji, bilişsel bilimler, bilgisayar teknolojileri ve yazılım mühendisliği yanında ergonomi, grafik ve endüstriyel tasarım, sosyoloji, antropoloji ve eğitim bilimleri gibi alanlarla da ilişkili bir çalışma alanıdır. İnsan Bilgisayar Etkileşiminin Geçmişi ·          1945 Vannevar Bush «As We May Think – Düşündüğümüz Gibi» makalesindeki teorik analog bilgisayar fikri «MEMEX» ·          1959 Brian Shackel «Ergonomics for a computer – Bilgisayarın Ergonomisi» makalesi ·          1964 Doug Engelbart «Augmenting ...
Devamı