Introducción a FPGA

 

¿Qué es una FPGA?

En el ámbito del diseño digital, una FPGA, o Field-Programmable Gate Array, es la piedra angular de la innovación. Introducido inicialmente como una evolución de dispositivos programables como PAL, GAL y CPLD, un FPGA trasciende las limitaciones de los circuitos convencionales. Posicionado como una solución semipersonalizada dentro del dominio de los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC), no solo aborda los inconvenientes de los circuitos personalizados sino que también los supera.

En esencia, una FPGA es un chip dotado del poder transformador de la programación. Representa un paradigma en el que la arquitectura interna del chip no es estática sino mutable. Para liberar su potencial, los diseñadores crean lenguajes de descripción de hardware que, al programarse, sufren una serie de transformaciones (compilación, síntesis, diseño y enrutamiento) a través de herramientas de automatización de diseño electrónico (EDA). Luego, el archivo resultante se carga en el dispositivo FPGA, iniciando una metamorfosis del cableado interno, que culmina en la realización de funcionalidades específicas. En este momento, la FPGA se presenta como un instrumento maleable preparado para aplicaciones personalizadas.

Comparativamente, el FPGA difiere de su homólogo, el microcontrolador, en esencia estructural. Mientras que los microcontroladores imitan el papel de la CPU de una computadora, operando dentro del ámbito de las arquitecturas Harvard o von Neumann, la estructura de una FPGA encarna la versatilidad de las tablas de búsqueda. Este intrincado diseño lo hace apto para aplicaciones sofisticadas como el diseño de interfaces de comunicación y el procesamiento de señales digitales. Además, los FPGA sirven como herramientas instrumentales para la validación de prototipos ASIC.

 

Estructura básica de FPGA

La esencia fundamental de FPGA radica en su programabilidad, una característica que excluye los circuitos de puerta lógica fija omnipresentes en los ASIC dedicados. En cambio, los FPGA adoptan una arquitectura flexible que conduce a una configuración iterativa. Un elemento central de esta estructura es la tabla de búsqueda (LUT), un componente elemental capaz de incorporar varias funciones lógicas digitales. Predominantemente, los chips FPGA contemporáneos permanecen anclados en la tecnología SRAM, aprovechando su potencia para facilitar una reconfiguración y adaptabilidad perfectas.
Métodos de configuración y almacenamiento de datos
Dentro de la FPGA, existe un bloque de RAM en el chip dedicado a almacenar datos, lo cual es crucial para configurar el estado operativo del dispositivo. Para que la FPGA funcione correctamente, la RAM del chip debe programarse en consecuencia. En escenarios que implican una amplia interacción de datos externos, se incorporan periféricos adicionales como módulos de memoria SDRAM o DDR3 para almacenar datos temporalmente. Sin embargo, en última instancia, los datos almacenados temporalmente en estos periféricos deben ser canalizados y procesados ​​por la RAM en el chip dentro de la FPGA.

Una vez finalizado el diseño del programa dentro de la herramienta de Automatización de Diseño Electrónico (EDA), el programa de software se graba en la FPGA, empleando varios modos de configuración. A continuación se muestran algunos modos de configuración utilizados habitualmente:

Modo paralelo: este modo implica configurar la FPGA a través de módulos de memoria Flash y PROM paralelos.
Modo maestro-esclavo: utiliza una única PROM para configurar múltiples FPGA simultáneamente.
Modo serie: en este modo, se emplea una PROM serie para configurar la FPGA.
Modo periférico: aquí, la FPGA funciona como un dispositivo periférico para un microprocesador, que lo programa en consecuencia.
Actualmente, los FPGA convencionales dependen predominantemente de la tecnología SRAM, y la mayoría de las placas de desarrollo de FPGA adoptan el modo de configuración en serie. Dado que la SRAM pierde sus datos internos tras un corte de energía, comúnmente se interconecta una memoria externa fuera del chip capaz de retener datos durante las interrupciones de energía para preservar la programación. En consecuencia, al encenderse, la FPGA recupera datos de la memoria externa en su RAM en el chip para su configuración. Una vez programado, el FPGA pasa a su estado operativo; sin embargo, al apagarse, los datos almacenados en la SRAM interna de la FPGA se pierden, restableciendo la lógica.

Proceso de diseño FPGA

El proceso de diseño de FPGA implica el desarrollo de chips FPGA utilizando herramientas de programación y software de desarrollo de automatización de diseño electrónico (EDA). Dos métodos principales utilizados para describir circuitos de hardware digitales son los diagramas esquemáticos y HDL (lenguaje de descripción de hardware). Si bien ambos métodos son comunes, el uso de HDL ofrece portabilidad y versatilidad superiores y facilita el diseño modular, lo que lo hace ampliamente adoptado tanto en entornos profesionales como académicos. El proceso típico de desarrollo de FPGA se ilustra a continuación, y abarca pasos clave como definición de funciones/selección de dispositivos, entrada de diseño, simulación funcional, optimización integral, simulación post-síntesis, implementación, simulación post-enrutamiento, simulación a nivel de placa y programación de chips. depuración.