Pengantar FPGA | Struktur, Komponen, Aplikasi

Pada artikel ini, kita akan melihat topik khusus yang disebut Field Programmable Gate Arrays atau FPGA. Kami akan mengeksplorasi konsep Perangkat Logika yang Dapat Diprogram dan berbagai jenis Perangkat yang Dapat Diprogram Bidang (FPD) seperti PLA, PAL, CPLD, FPGA. Juga, kita akan melihat arsitektur dari Perangkat FPGA yang khas beserta kelebihannya. Garis Besar PendahuluanCatatan Singkat tentang PLD (Programmable Logic Device)Berbagai Jenis PLDsProgrammable Logic Array (PLA)Programmable Array Logic (PAL)Generic Array Logic (GAL)Complex Programmable Logic Devices (CPLD)Field Programmable Gate Arrays (FPGA)Apa yang dimaksud dengan FPGA?Komponen dari FPGALogic BlockRoutingTeknologi Pemrograman FPGASRAMEEPROM / FlashAnti-FuseAplikasiPengenalanField Programmable Gate Arrays (FPGAs) adalah IC digital (Integrated Circuits design) untuk memprogram Logika Digital yang disesuaikan sesuai kebutuhannya. Istilah "Field Programmable" menyiratkan bahwa Logika Digital IC tidak diperbaiki selama pembuatan (atau fabrikasi) melainkan diprogram oleh pengguna akhir (perancang). Untuk menyediakan programabilitas ini, FPGA terdiri dari Configurable (atau Dapat Diprogram) Blok Logika dan interkoneksi yang dapat dikonfigurasi antara blok-blok ini. Logika dan Interkoneksi (Perutean) FPGA yang dapat dikonfigurasi ini menjadikannya tujuan umum dan fleksibel tetapi pada saat yang sama, itu juga membuat mereka lambat dan haus daya jika dibandingkan dengan ASIC kaliber serupa dengan Sel Standar. Sudah lebih dari tiga dekade sejak pengenalan FPGA ke pasar dan dalam jangka panjang ini, mereka telah mengalami kemajuan teknologi yang parah dan mendapatkan popularitas yang terus meningkat. Catatan Singkat tentang PLD (Programmable Logic Device)Sebelum masuk ke topik utama, saya ingin membahas secara singkat tentang konsep Perangkat Logika yang Dapat Diprogram. Jadi, apa itu PLD. Ini adalah IC yang berisi sejumlah besar gerbang Logika dan Flip-flop yang dapat dikonfigurasi oleh pengguna untuk mengimplementasikan berbagai fungsi. Perangkat Logika yang Dapat Diprogram yang paling sederhana terdiri dari larik gerbang AND & OR dan logikanya gerbang dan interkoneksinya dapat dikonfigurasi dengan proses pemrograman.PLD sangat berguna ketika seorang insinyur ingin menerapkan logika yang disesuaikan dan dibatasi oleh sirkuit terintegrasi yang telah dikonfigurasi sebelumnya. PLD menyediakan cara untuk mengimplementasikan sirkuit digital khusus melalui kekuatan konfigurasi perangkat keras daripada mengimplementasikannya menggunakan perangkat lunak. Berbagai Jenis PLD Pada dasarnya, PLD dapat dikategorikan menjadi tiga jenis. Mereka adalah:Perangkat Logika Programmable Sederhana (SPLD)Perangkat Logika yang Dapat Diprogram Kompleks (CPLD)Field Programmable Gate Arrays (FPGA)Perangkat Logika yang Dapat Diprogram Sederhana dibagi lagi menjadi:Programmable Logic Array (PLA)Programmable Array Logic (PAL)Generic Array Logic ( GAL)Sekarang mari kita lihat beberapa detail dasar tentang semua PLD ini.Programmable Logic Array (PLA)PLA terdiri dari bidang gerbang AND dengan interkoneksi yang dapat diprogram dan bidang gerbang OR dengan interkoneksi yang dapat diprogram. Berikut ini adalah empat input sederhana – empat output PLA dengan gerbang AND & OR. Setiap input dapat dihubungkan ke gerbang AND mana pun dengan menghubungkan garis interkoneksi horizontal dan vertikal. Output dari gerbang AND yang berbeda kemudian dapat diterapkan ke salah satu gerbang OR dengan interkoneksi yang dapat diprogram. Programmable Array Logic (PAL) PAL mirip dengan PLA tetapi perbedaannya adalah di PAL, hanya bidang gerbang AND yang dapat diprogram sedangkan Bidang gerbang OR diperbaiki selama fabrikasi. Meskipun PAL kurang fleksibel daripada PLA, mereka menghilangkan penundaan waktu yang terkait dengan Gerbang OR yang dapat diprogram. Logika Array Generik (GAL) Secara arsitektur, GAL mirip dengan PAL tetapi perbedaannya terletak pada struktur yang dapat diprogram. PAL menggunakan PROM, yang dapat diprogram satu kali, sedangkan GAL menggunakan EEPROM, yang dapat diprogram ulang.  Perangkat Logika yang Dapat Diprogram Kompleks (CPLD)Berpindah dari perangkat SPLD, kami mendapatkan CPLD. Ini dikembangkan di atas perangkat SPLD untuk membuat desain bubur yang lebih besar dan kompleks. CPLD terdiri dari sejumlah blok logika (atau blok fungsional), yang secara internal terdiri dari Pal atau PAL bersama dengan Macrocell. Macrocell terdiri dari sirkuit tambahan dan kontrol polaritas sinyal untuk memberikan sinyal yang benar atau pelengkapnya.  Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Dari segi kompleksitas, CPLD jauh lebih kompleks daripada SPLD. Tetapi FPGA bahkan lebih kompleks daripada CPLD. Arsitektur FPGA benar-benar berbeda karena terdiri dari Sel Logika yang dapat diprogram, interkoneksi yang dapat diprogram, dan blok IO yang dapat diprogram. Apa itu FPGA? Field Programmable Gate Arrays atau FPGA singkatnya adalah perangkat silikon pra-fabrikasi yang terdiri dari matriks logika yang dapat dikonfigurasi ulang sirkuit dan interkoneksi yang dapat diprogram diatur dalam array dua dimensi. Sel Logika yang dapat diprogram dapat dikonfigurasi untuk melakukan fungsi digital apa pun dan interkoneksi (atau sakelar) yang dapat diprogram menyediakan koneksi di antara sel logika yang berbeda. Dengan menggunakan FPGA, Anda dapat menerapkan desain khusus apa pun dengan menentukan logika atau fungsi setiap blok logika dan pengaturan koneksi setiap sakelar yang dapat diprogram. Karena proses merancang sirkuit khusus ini dilakukan di lapangan daripada di pabrik, perangkat ini dikenal sebagai "Field Programmable". Gambar berikut menunjukkan struktur internal khas FPGA dalam arti yang sangat luas. Seperti yang Anda lihat , inti FPGA terdiri dari sel logika yang dapat dikonfigurasi dan interkoneksi yang dapat diprogram. Ini dikelilingi oleh sejumlah blok IO yang dapat diprogram, yang digunakan untuk berbicara dengan dunia luar. Komponen FPGASekarang mari kita lihat lebih dekat struktur FPGA. Biasanya, FPGA terdiri dari tiga komponen dasar. Mereka adalah: Sel Logika yang Dapat Diprogram (atau Blok Logika) – bertanggung jawab untuk mengimplementasikan fungsi logika inti. Perutean yang Dapat Diprogram – bertanggung jawab untuk menghubungkan Blok Logika. Blok IO – yang terhubung ke Blok Logika melalui perutean dan membantu membuat koneksi eksternal. Blok Logika Blok Logika di FPGA berbasis Xilinx disebut sebagai Blok Logika yang Dapat Dikonfigurasi atau CLB sedangkan struktur serupa di FPGA berbasis Altera disebut Blok Array Logika atau LAB. Mari kita gunakan istilah CLB untuk diskusi ini. CLB adalah komponen dasar dari FPGA, yang menyediakan fungsi logika dan penyimpanan. Blok logika dasar dapat berupa transistor, gerbang NAND, Multiplexor, Look-up Table (LUT), struktur seperti PAL atau bahkan prosesor. Baik Xilinx dan Altera menggunakan blok logika berbasis Look-up Table (LUT) untuk mengimplementasikan logika serta fungsi penyimpanan. Blok Logika dapat terdiri dari satu Elemen Logika Dasar atau satu set Elemen Logika Dasar yang saling berhubungan, di mana sebuah Elemen Logika Dasar adalah kombinasi dari tabel Look-up (yang pada gilirannya terdiri dari SRAM dan Multiplexor) dan Flip-flop.LUT dengan input 'n' terdiri dari 2n bit konfigurasi, yang diimplementasikan oleh Sel SRAM. Dengan menggunakan Bit SRAM 2n ini, LUT dapat dikonfigurasi untuk mengimplementasikan fungsi logis apa pun. Perutean Jika fungsionalitas komputasi disediakan oleh Blok Logika, maka jaringan perutean yang dapat diprogram bertanggung jawab untuk interkoneksi blok logika ini. Jaringan Perutean menyediakan interkoneksi antara satu blok logika ke blok logika lainnya serta antara blok logika dan Blok IO untuk sepenuhnya menerapkan sirkuit khusus. Pada dasarnya, jaringan perutean terdiri dari kabel penghubung dengan sakelar yang dapat diprogram, yang dapat dikonfigurasi menggunakan salah satu dari teknologi pemrograman. Pada dasarnya ada dua jenis arsitektur routing. Mereka adalah: Perutean Gaya Pulau (juga dikenal sebagai Perutean Mesh) Perutean Hirarki Dalam arsitektur perutean gaya pulau, blok logika disusun dalam array dua dimensi dan saling berhubungan menggunakan jaringan perutean yang dapat diprogram. Jenis perutean ini banyak digunakan dalam FPGA komersial. Banyak blok logika terbatas pada satu set koneksi lokal dan arsitektur perutean hierarki memanfaatkan fitur ini dengan membagi blok logika menjadi beberapa kelompok atau klaster. Jika blok logika berada di cluster yang sama, maka perutean hierarkis menghubungkannya dalam hierarki tingkat rendah. Jika blok logika berada di cluster yang berbeda, maka pengkabelan dilakukan pada tingkat hierarki yang lebih tinggi. Teknologi Pemrograman FPGAKita telah berbicara tentang arsitektur FPGA yang dapat diprogram ulang cukup sedikit tetapi sekarang mari kita lihat beberapa teknik pemrograman yang paling umum digunakan yang bertanggung jawab untuk arsitektur yang dapat dikonfigurasi ulang tersebut. Berikut ini adalah tiga teknologi pemrograman terkenal yang digunakan dalam FPGA. SRAMEEPROM / FlashAnti-FuseLainnya teknologi termasuk EPROM dan Fusible Link tetapi mereka digunakan di CPLD dan PLD lain tetapi tidak di FPGA, Oleh karena itu, mari kita diskusikan terbatas pada teknologi pemrograman terkait FPGA. SRAM Kita tahu bahwa ada dua jenis RAM semikonduktor yang disebut SRAM dan DRAM. SRAM adalah kependekan dari Static RAM sedangkan DRAM adalah kependekan dari Dynamic Ram. SRAM dirancang menggunakan transistor dan istilah statis berarti bahwa nilai yang dimuat pada Sel Memori SRAM dasar akan tetap sama sampai sengaja diubah atau ketika daya dilepas. Sel SRAM 6 transistor tipikal untuk menyimpan 1 bit ditunjukkan pada gambar berikut .Ini berbeda dengan DRAM, yang terdiri dari kombinasi transistor dan kapasitor. Istilah Dinamis mengacu pada fakta bahwa nilai yang dimuat dalam Sel Memori DRAM dasar berlaku sampai ada muatan di kapasitor. Karena kapasitor kehilangan muatannya dari waktu ke waktu, sel memori harus diisi ulang secara berkala untuk mempertahankan muatannya. Ini juga dikenal sebagai penyegaran. Banyak vendor FPGA menerapkan Sel Memori Statis dalam FPGA berbasis SRAM untuk pemrograman. FPGA berbasis SRAM digunakan untuk memprogram baik sel logika maupun interkoneksi dan mereka menjadi sangat dominan karena kemampuan pemrograman ulang dan penggunaan teknologi CMOS, yang dikenal dengan konsumsi daya dinamis yang rendah, kecepatan tinggi, dan integrasi yang lebih ketat.EEPROM / FlashSebuah alternatif yang dekat dengan teknologi pemrograman berbasis SRAM didasarkan pada teknologi pemrograman EEPROM atau Flash. Keuntungan utama dari pemrograman berbasis flash adalah sifatnya yang tidak mudah menguap. Meskipun flash mendukung kemampuan pemrograman ulang, frekuensi hal ini dapat dilakukan sangat kecil jika dibandingkan dengan teknologi SRAM.Anti-FuseTeknologi pemrograman anti-sekring adalah teknik lama untuk memproduksi perangkat yang dapat diprogram satu kali. Mereka diimplementasikan menggunakan tautan yang disebut antifuse, yang dalam keadaan tidak terprogram memiliki resistansi yang sangat tinggi dan dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka. Saat memprogram, tegangan dan arus tinggi disuplai ke input. Akibatnya, antifuse, yang awalnya berbentuk silikon amorf (pada dasarnya isolator dengan resistansi sangat tinggi) yang menghubungkan dua jalur logam, menjadi hidup dengan mengubahnya menjadi polisilikon konduktor. Jika dibandingkan dengan dua teknologi lainnya, antifuse satu menempati ruang paling sedikit tetapi hanya tersedia sebagai opsi yang dapat diprogram satu kali.  Aplikasi Pada tahun-tahun awal pengenalan FPGA, mereka biasanya digunakan untuk mengimplementasikan mesin keadaan kompleks kecil hingga menengah dan tugas pemrosesan data pada data kecil. Karena kompleksitas dan kemampuannya meningkat selama bertahun-tahun, mereka telah dimasukkan ke dalam beberapa aplikasi otomotif, konsumen, dan industri. Awalnya, FPGA memberikan opsi mudah untuk membuat prototipe desain ASIC karena dapat dengan mudah dikonfigurasi ulang untuk menguji dan mencoba beberapa variasi perangkat keras sebelum menyelesaikan desain utama. Tetapi kemampuan mereka untuk berfungsi sebagai produk akhir dengan waktu pemasaran yang relatif singkat dan biaya implementasi yang kecil, mereka telah diimplementasikan sebagai pesaing langsung ke beberapa ASIC. FPGA modern dengan pengganda, perutean yang kompleks, dan RAM on-chip dapat memfasilitasi operasi DSP yang sebelumnya dimungkinkan pada Prosesor Sinyal Digital khusus. Dengan turunnya biaya FPGA, mereka mendapatkan pesaing serius dari aplikasi kontrol tertanam. FPGA dapat digunakan untuk mengimplementasikan prosesor inti lunak dari mikrokontroler apa pun bersama dengan kemampuan IO khusus. Posting Terkait:Pengantar Teknologi ASIC | Berbagai Jenis,…Apa itu Otomasi Industri?

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan