يشير المصطلح FPGA إلى مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية وهي نوع واحد من رقاقة منطق أشباه الموصلات والتي يمكن برمجتها لتصبح تقريبًا أي نوع من الأنظمة أو الدوائر الرقمية ، على غرار PLDs. تقتصر PLDS على مئات البوابات ، لكن FPGAs تدعم الآلاف من البوابات. يتم تحديد تكوين بنية FPGA بشكل عام باستخدام لغة ، مثل HDL (لغة وصف الأجهزة) والتي تشبه تلك المستخدمة في ASIC (الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيق).

صفائف البوابة القابلة للبرمجة الميدانية

يمكن أن توفر FPGAs عددًا من المزايا على تقنية ASIC ذات الوظيفة الثابتة مثل الخلايا القياسية. عادة ، يستغرق تصنيع ASIC أشهرًا وستكون تكلفتها آلاف الدولارات للحصول على الجهاز. ولكن ، يتم تصنيع FPGAs في أقل من ثانية ، وستتراوح التكلفة من بضعة دولارات إلى ألف دولار ، وتأتي الطبيعة المرنة لـ FPGA في منطقة تكلفة كبيرة ، واستهلاك الطاقة والتأخير ، عند مقارنتها بخلية قياسية ASIC ، تتطلب FPGA مساحة أكبر من 20 إلى 35 مرة ، وسيكون أداء السرعة أبطأ من 3 إلى 4 مرات من ASIC. توضح هذه المقالة أساسيات FPGA ووحدة هندسة FPGA التي تتضمن لوحة الإدخال / الإخراج وكتل المنطق ومصفوفة المحول. FPGAs هي بعض المجالات الرائجة الجديدة لـ VLSI. لذلك ، يتم استخدام هذه في مشاريع VLSI لطلاب الهندسة الإلكترونية .

“كيف تعمل الفرامل الديناميكية ”

هندسة FPGA

تتكون بنية FPGA العامة من ثلاثة أنواع من الوحدات. إنها كتل أو وسادات I / O ، وأسلاك Switch Matrix / Interconnection وكتل المنطق القابلة للتكوين (CLB). تحتوي بنية FPGA الأساسية على صفائف ثنائية الأبعاد من الكتل المنطقية مع وسيلة للمستخدم لترتيب الترابط بين الكتل المنطقية. تتم مناقشة وظائف وحدة هندسة FPGA أدناه:

تتضمن CLB (كتلة المنطق القابلة للتكوين) المنطق الرقمي والمدخلات والمخرجات. إنها تنفذ منطق المستخدم.
توفر الوصلات البينية الاتجاه بين الكتل المنطقية لتنفيذ منطق المستخدم.
اعتمادًا على المنطق ، توفر مصفوفة التبديل التبديل بين التوصيلات البينية.
تستخدم منصات الإدخال / الإخراج للعالم الخارجي للتواصل مع التطبيقات المختلفة.

هندسة FPGA

يحتوي المنطق بلوك MUX (معدد) ، D الوجه بالتخبط و LUT. تنفذ LUT الوظائف المنطقية التوافقية ، حيث يتم استخدام MUX لمنطق الاختيار ، ويقوم D flip flop بتخزين إخراج جدول البحث (LUT)

لبنة البناء الأساسية لـ FPGA هي مولد الوظيفة المستند إلى جدول البحث. يختلف عدد المدخلات في جدول البحث المحلي من 3،4،6 وحتى 8 بعد التجارب. الآن ، لدينا جداول بحث متكيفة توفر مخرجات لكل جدول بحث منفرد مع تنفيذ مولدين وظيفيين.

كتلة المنطق FPGA

Xilinx Virtex-5 هو FPGA الأكثر شيوعًا ، والذي يحتوي على جدول بحث (LUT) متصل بـ MUX ، و flip flop كما تمت مناقشته أعلاه. يتكون FPGA الحالي من مئات أو آلاف الكتل المنطقية القابلة للتكوين. لتكوين FPGA ، يتم استخدام برامج Modelsim و Xilinx ISE لإنشاء ملف bitstream وللتطوير.

أنواع FPGAs على أساس التطبيقات

تصنف مصفوفات البوابة الميدانية القابلة للبرمجة إلى ثلاثة أنواع بناءً على تطبيقات مثل FPGAs منخفضة النهاية و FPGAs متوسطة المدى و FPGAs المتطورة.

“شرح مخطط محطة الطاقة النووية ”

أنواع FPGAs

منخفضة FPGAs

تم تصميم هذه الأنواع من FPGAs من أجل استهلاك منخفض للطاقة وكثافة منطقية منخفضة وتعقيد منخفض لكل شريحة. أمثلة على FPGAs المنخفضة هي عائلة Cyclone من Altera ، عائلة Spartan من Xilinx ، عائلة الاندماج من Microsemi و Mach XO / ICE40 من أشباه الموصلات الشبكية.

متوسط FPGAs

هذه الأنواع من FPGAs هي الحل الأمثل بين FPGAs المنخفضة والراقية ويتم تطويرها كموازنة بين الأداء والتكلفة. أمثلة على FPGAs متوسطة المدى هي Arria من سلسلة Altera و Artix-7 / Kintex-7 من Xlinix و IGL002 من سلسلة Microsemi و ECP3 و ECP5 من أشباه الموصلات الشبكية.

FPGAs الراقية

تم تطوير هذه الأنواع من FPGAs لكثافة المنطق والأداء العالي. أمثلة على FPGAs الراقية هي عائلة Stratix من Altera وعائلة Virtex من Xilinx وعائلة Speedster 22i من Achronix وعائلة ProASIC3 من Microsemi.

تطبيقات FPGA:

اكتسبت FPGAs نموًا سريعًا خلال العقد الماضي لأنها مفيدة لمجموعة واسعة من التطبيقات. يتضمن التطبيق المحدد لـ FPGA معالجة الإشارات الرقمية ، والمعلوماتية الحيوية ، وأجهزة التحكم في الجهاز ، والراديو المحدد بالبرمجيات ، والمنطق العشوائي ، والنماذج الأولية لـ ASIC ، والتصوير الطبي ، ومضاهاة أجهزة الكمبيوتر ، ودمج نطاقات SPLD المتعددة ، التعرف على الصوت والتشفير والتصفية وترميز الاتصالات وغيرها الكثير.

عادة ، يتم الاحتفاظ بـ FPGAs لتطبيقات عمودية معينة حيث يكون حجم الإنتاج صغيرًا. بالنسبة لهذه التطبيقات ذات الحجم المنخفض ، تدفع الشركات الكبرى تكاليف الأجهزة لكل وحدة. اليوم ، أدت ديناميكيات الأداء الجديدة والتكلفة إلى توسيع نطاق التطبيقات القابلة للتطبيق.

“مؤامرة بود لمرشح التمرير العالي ”

تطبيقات FPGA

بعض تطبيقات FPGA الأكثر شيوعًا هي: الفضاء والدفاع ، والإلكترونيات الطبية ، والنماذج الأولية ASIC ، والصوت ، والسيارات ، والبث ، والإلكترونيات الاستهلاكية ، والأنظمة النقدية الموزعة ، ومركز البيانات ، والحوسبة عالية الأداء ، والصناعية ، والطبية ، والأدوات العلمية ، انظمة حماية ، معالجة الصور والفيديو، الاتصالات السلكية، الاتصالات اللاسلكية .

أفكار المشاريع القائمة على FPGA:

فيما يلي قائمة بأفكار المشاريع القائمة على FPGA للتجربة مع Verilog HDL و VHDL لطلاب الهندسة في السنة النهائية. ال قائمة بأفكار المشاريع الإلكترونية على أساس FPGA يرد أدناه:

أفكار المشاريع القائمة على FPGA

نظام تسجيل الدخول الأمني يعتمد على FPGA
FPGA القائمة على رقاقة السمع الرقمية
هندسة استخراج ميزة الصور في الوقت الحقيقي القائمة على FPGA
FPGA تصميم وتنفيذ وحدات فك شفرات Mp4
FPGA مقرها نظام التحكم في إشارات المرور تصميم و تنفيذ
توليد ناقل عالي التردد يعتمد على FPGA لضغط النبض باستخدام خوارزمية كورديك
تصميم بلوك منطقي قابل للبرمجة وتوليفها مع بوابة ماكرو وجداول البحث المختلطة
مجموعة التعليمات الخاصة بالتطبيق تصميم المعالج وتنفيذه ودراسته لمهمة DSP محددة
تصميم وتنفيذ وحدة التزامن لجهاز استقبال الإرسال WCDMA
تنفيذ FPGA لخوارزمية FFT لـ IEEE 802.16e (Mobile WiMAX)
تصميم FPGA المستند إلى GPS (نظام التموضع العالمي) -GSM (الأنظمة العالمية للهواتف المحمولة) Mobile Navigator
ناقل الفضاء PWM (تعديل عرض النبض) للمحولات ثلاثية المستويات: تنفيذ LabVIEW
تصميم وتنفيذ النظام الأساسي متعدد المعالجات القابلة للبرمجة للمعالجة المدمجة عالية الأداء
تمديد تحسين المعالج عالي الأداء وتحسين FPGAs
تطوير وتقييم الضوابط الميدانية باستخدام LabVIEW FPGA
توليف التردد الرقمي المباشر بتنسيق FPGAs
النظام الأساسي متعدد المعالجات للتصميم والبرمجة من أجل المعالجة المضمنة عالية الأداء
تصميم وتكامل استكشاف الفضاء لصفائف العداد الميدانية القابلة للبرمجة باستخدام FPGA
تطبيق FPGA لتلسكوب Icecube لاكتشاف مسار النيوترينو
استيفاء الصورة للعرض ثلاثي الأبعاد في البرامج الثابتة
هندسة وتنفيذ نظام MIMO Sphere
بنية FFT (تحويل فورييه السريع) ذات كفاءة فائقة في استهلاك الطاقة
سجل التحول الارتجاعي الخطي (LFSR) تحسين الطاقة من أجل BIST منخفض الطاقة

بعد قضاء وقتك الثمين في هذه المقالة ، نعتقد أنه لديك فكرة جيدة عن هندسة FPGA وعن اختيار موضوع المشروع الذي تختاره من أفكار المشروع القائمة على FPGA ، ونأمل أن يكون لديك ثقة كافية لتناول أي موضوع من القائمة. لمزيد من التفاصيل والمساعدة حول هذه المشاريع ، يمكنك الكتابة إلينا في قسم التعليقات أدناه.

اعتمادات الصورة: