Einführung in FPGA

Was ist ein FPGA?

Im Bereich des digitalen Designs gilt ein FPGA (Field-Programmable Gate Array) als Eckpfeiler der Innovation. Ein FPGA wurde ursprünglich als Weiterentwicklung programmierbarer Geräte wie PAL, GAL und CPLD eingeführt und überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Schaltkreise. Als halbkundenspezifische Lösung im Bereich der anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreise (ASIC) positioniert, behebt sie nicht nur die Nachteile maßgeschneiderter Schaltkreise, sondern überwindet diese auch.

Im Wesentlichen ist ein FPGA ein Chip, der mit der transformativen Kraft der Programmierung ausgestattet ist. Es stellt ein Paradigma dar, bei dem die interne Architektur des Chips nicht statisch, sondern veränderbar ist. Um ihr Potenzial auszuschöpfen, entwickeln Designer Hardwarebeschreibungssprachen, die bei der Programmierung eine Reihe von Transformationen – Kompilierung, Synthese, Layout und Routing – über Tools zur elektronischen Designautomatisierung (EDA) durchlaufen. Die resultierende Datei wird dann in das FPGA-Gerät geladen, wodurch eine Metamorphose der internen Verkabelung eingeleitet wird, die in der Realisierung spezifischer Funktionalitäten gipfelt. An dieser Stelle stellt sich der FPGA als formbares Instrument dar, das für maßgeschneiderte Anwendungen geeignet ist.

Im Vergleich dazu unterscheidet sich der FPGA im strukturellen Wesen von seinem Gegenstück, dem Mikrocontroller. Während Mikrocontroller die Rolle der CPU eines Computers nachahmen und im Bereich der Harvard- oder von-Neumann-Architekturen arbeiten, verkörpert die Struktur eines FPGAs die Vielseitigkeit von Nachschlagetabellen. Aufgrund dieses komplexen Designs eignet es sich für anspruchsvolle Anwendungen wie das Design von Kommunikationsschnittstellen und die digitale Signalverarbeitung. Darüber hinaus dienen FPGAs als instrumentelle Werkzeuge für die Validierung von ASIC-Prototypen.

 

Grundstruktur des FPGA

Das grundlegende Wesen von FPGA liegt in seiner Programmierbarkeit, eine Eigenschaft, die die in dedizierten ASICs allgegenwärtigen festen Logikgatterschaltungen ausschließt. Stattdessen verfügen FPGAs über eine flexible Architektur, die eine iterative Konfiguration ermöglicht. Im Mittelpunkt dieser Struktur steht die Lookup Table (LUT), eine elementare Komponente, die verschiedene digitale Logikfunktionen verkörpern kann. Moderne FPGA-Chips bleiben überwiegend in der SRAM-Technologie verankert und nutzen deren Leistungsfähigkeit, um eine nahtlose Neukonfiguration und Anpassungsfähigkeit zu ermöglichen.
Datenspeicher- und Konfigurationsmethoden
Im FPGA gibt es einen On-Chip-RAM-Block zum Speichern von Daten, die für die Einstellung des Betriebsstatus des Geräts von entscheidender Bedeutung sind. Damit das FPGA ordnungsgemäß funktioniert, muss der On-Chip-RAM entsprechend programmiert werden. In Szenarien mit umfangreicher externer Dateninteraktion werden zusätzliche Peripheriegeräte wie SDRAM- oder DDR3-Speichermodule integriert, um Daten vorübergehend zu speichern. Letztendlich müssen die in diesen Peripheriegeräten vorübergehend gespeicherten Daten jedoch durch den On-Chip-RAM im FPGA geleitet und von diesem verarbeitet werden.

Nach Abschluss des Programmentwurfs im Electronic Design Automation (EDA)-Tool wird das Softwareprogramm unter Verwendung verschiedener Konfigurationsmodi in das FPGA gebrannt. Hier sind einige häufig verwendete Konfigurationsmodi:

Parallelmodus: In diesem Modus wird das FPGA über parallele PROM- und Flash-Speichermodule konfiguriert.
Master-Slave-Modus: Verwendet ein einzelnes PROM, um mehrere FPGAs gleichzeitig zu konfigurieren.
Serieller Modus: In diesem Modus wird ein serielles PROM zur Konfiguration des FPGA verwendet.
Peripheriemodus: Hier fungiert das FPGA als Peripheriegerät für einen Mikroprozessor, der es entsprechend programmiert.
Derzeit basieren Mainstream-FPGAs überwiegend auf der SRAM-Technologie, wobei die meisten FPGA-Entwicklungsboards den seriellen Konfigurationsmodus übernehmen. Da SRAM bei einem Stromausfall seine internen Daten verliert, wird üblicherweise ein externer Off-Chip-Speicher angeschlossen, der Daten auch bei Stromunterbrechungen speichern kann, um die Programmierung beizubehalten. Folglich ruft das FPGA beim Einschalten Daten aus dem externen Speicher in seinen On-Chip-RAM zur Konfiguration ab. Nach der Programmierung geht das FPGA in seinen Betriebszustand über; Beim Ausschalten gehen jedoch die im internen SRAM des FPGA gespeicherten Daten verloren, wodurch die Logik zurückgesetzt wird.

FPGA-Designprozess

Der FPGA-Designprozess umfasst die Entwicklung von FPGA-Chips mithilfe von Entwicklungssoftware und Programmiertools für Electronic Design Automation (EDA). Zwei Hauptmethoden zur Beschreibung digitaler Hardwareschaltungen sind schematische Diagramme und HDL (Hardware Description Language). Obwohl beide Methoden üblich sind, bietet die Verwendung von HDL eine hervorragende Portabilität und Vielseitigkeit und erleichtert den modularen Aufbau, wodurch es sowohl im beruflichen als auch im akademischen Umfeld weit verbreitet ist. Der typische FPGA-Entwicklungsprozess wird unten dargestellt und umfasst wichtige Schritte wie Funktionsdefinition/Geräteauswahl, Designeingabe, Funktionssimulation, umfassende Optimierung, Simulation nach der Synthese, Implementierung, Simulation nach dem Routing, Simulation auf Platinenebene und Chipprogrammierung Debuggen.