O que é FPGA?

O que é FPGA?

Olá,

Bom dia! Boa Tarde! Boa Noite!

Neste texto falarei brevemente o que é FPGA (Field Programmable Gate Array – Arranjo de Portas Programável em Campo) onde eles são programados através de Lógica Programável para implementar circuitos digitais dedicados.

Figura_01
Figura 01: FPGA.

O FPGA foi desenvolvido em 1984 pela Xilinx para fins militares [1]. Desde então, o mercado vem crescendo mundialmente de US$ 1,9 bilhões em 2005 para US$ 2,75 bilhões em 2010[2]. Devido a esse grande aumento, hoje os FPGAs são largamente empregados nas indústrias automotiva através da tecnologia ADAS (Sistema Avançado de Assistência) aos motoristas, no setor das telecomunicações utilizados em transmissores de TV Digital, setor de multimídia para processamento de imagens em tempo real e alto desempenho, na medicina para diagnóstico, monitoramento e aplicações da terapia, onde necessitam de uma gama de processamento, e entre outros setores.

Os FPGAs são dispositivos semicondutores programáveis ​​que são baseados ao redor de uma matriz de CLBs (Configurable Logic Blocks – Lógica Blocos Configuráveis) conectados através de interconexões programáveis conforme demonstra a figura abaixo:

Figura_01
Figura 02: Estrutura interna do FPGA.

Os IOBs (Input Output Blocks – Blocos de Entradas e Saídas) são elementos que possuem buffers bidirecionais e flip-flops  onde podem ser configurados como registros de entradas e saídas.

As memórias RAM (Random Access Memory – Memória de Acesso Aleatório) são blocos disponíveis nas maiorias dos FPGAs que permitem a memória on-chip nos projetos.

O DCM (Digital Clock Management – Gestão Relógio Digital) é fornecido pela maioria dos FPGAs na indústria. Os FPGAs mais avançados da Xilinx fornece tanto de gestão DCM quanto no bloqueio  phase-looped que fornecem síntese de clock com precisão combinada com a redução de jitter e filtragem[3].

E por fim as IR (Interconnect Routing – Roteamento de Interconexão) são as conexões entre os CLBs e IOBs. Eles possuem trilhas para conectar as entradas e saídas dos CLBs e IOBs para as redes mais apropriadas.

Fabricantes

Existem duas grandes empresas que desenvolvem FPGA, Xilinx (49%) e Altera (40%), onde juntas domina o propósito geral da lógica programável com 89% de acordo com o gráfico abaixo:

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Figura 03: Market Share.

Também possui outros fabricantes no mercado, a Lattice Semi (6%), Microsemi (4%) e QuickLogic (1%). A seguir um breve resumo das empresas [4].

 A empresa é líder no mercado de FPGAs com Market Share de $ 2,369.45 milhões. Suas famílias consiste nas séries-7  (Artix-7, Kintex-7 e Virtex-7) e os da série-6 (Virtex-6 e Sapartan-6). Em 2011 ganhou o prêmio “Highly Commended Prize” com o dispositivo Kintex-7.

Altera tem feito grandes progressos na conquista de quota de mercado nos últimos anos através de suas ferramentas e desempenho dos dispositivos. A empresa adquire um Market Share de $1,954.43 milhões de dólares. A série “Stratix” é a família de FPGAs de alto nível. No mid-range são as séries Arria, Cyclone completa com oferta de baixo custo.

A empresa Lattice Semiconductor aborda o baixo consumo de energia e mercado de baixo custo para FPGAs. Eles comercializam os seus produtos com “FPGAs de alto valor” da indústria, proporcionando melhor desempenho por custo com as séries  ECP3, ECP2, ECP2M. E possui um Market Share de $297.77 milhões de dólares.

Com Market Share de $207.49 milhões de dólares, Microsemi é especializada em baixo consumo de energia e de sinal misto FPGAs. Um diferencial principal está em sua tecnologia anti-fuse que está qualificado para tanto militares como voo espacial. Sua família Space-Grade consiste nas séries RTAX-S, SL, DSP, RT-ProASIC3 e dispositivos RTSX-SU.

O foco da QuickLogic está no setor de telefonia móvel que significa dispositivos ultra-baixo consumo de energia, embalagem fator de forma pequena, e projetar a segurança elevada e possui um Market Share de 26.20 milhões de dólares.

Evaluation Boards para Desenvolvimento

As empresas vem investindo no desenvolvimento de kits didáticos para usarem seus produtos (FPGAs, Microcontroladores, Microprocessadores), abaixo está listados dois Evaluation Board de baixo custo, sendo um da empresa Xilinx e o outro da Altera.

  • Spartan-6 LX9 MicroBoard

O Evaluation Board FPGA LX9 Microboard é de baixo custo, cerca de 89 dólares,é a solução perfeita para os designers interessados em explorar o processador MicroBlaze macio ou Spartan-6 FPGAs em geral.

Figura_04
Figura 04: Spartan-6 LX9.

Dados:

  • 10/100 Ethernet PHY
  • 128 Mb Multi-I/O SPI Flash
  • Chave DIP 4-bit
  • SDRAM 64 MB
  • 4 LEDs
  • On-board USB JTAG circuitry
  • Over-voltage and ESD protection on USB
  • Programmable clock chip
  • Reset and PROG push-buttons
  • Several pre-built MicroBlaze systems
  • Single-chip, 3-rail power with Power Good indicator
  • Spartan-6 XC6SLX9-2CSG324C FPGA
  • Two Digilent Pmod™ compatible headers (2×6)
  • USB-to-UART port

 

  • DE0-Nano Development and Education Board

A DE0-Nano de apenas 79 dólares introduz uma plataforma de desenvolvimento FPGA de tamanho compacto, adequado para projetos de circuitos prototipagem, como robôs e projetos “portáteis”. A placa é desenhado para ser utilizado na implementação mais simples possível direcionamento do dispositivo ciclone IV de até 22.320 elementos lógicos.

Figura_05
Figura 05: DE0-Nano.

Dados:

  • 22,320 elementos lógics (LEs)
  • Memória embarcada 594 (Kbits)
  • 66 multiplicadores 18 x 18
  • 4 General-purpose PLLs
  • 153 pinos de I/O
  • On-board USB-Blaster circuit for programming
  • FPGA Serial Configuration Device (EPCS)
  • 2x 40-pin Headers (GPIOs) provides 72 3.3V I/O pins
  • Alimentações 5V e 3V3
  • 32MB SDRAM
  • 2Kb I2C EEPROM
  • 8 verdes LEDs
  • 2 debounced push-buttons
  • 4 chaves dip
Referências Bibliográficas

[1] http://www.ni.com/white-paper/6984/pt/

[2] The Field-Programmable Gate Array (FPGA): Expanding Its Boundaries, InStat Market Research, April 2006

[3] http://www.xilinx.com/fpga/

[4] http://www.fpgadeveloper.com/2011/07/list-and-comparison-of-fpga-companies.html

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2 comentários sobre “O que é FPGA?

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