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Hecho por el Prof Pedro Landaeta. Prof Jubilado de la UPT de Aragua y Aspirante a MSc en la UCV - Venezuela. Material Introductorio de FPGA, Diciembre 2018

ARQUITECTURA DE LAS FPGA Ya con el estudio hecho de los Flip Flops, Contadores y Registros en trabajos anteriores lo que queda solamente es hablar del lenguaje VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Lenguage) y de la arquitectura de las FPGAs. Es necesaria ésta unión porque es parte del tratar de entender a estos dispositivos. Primero, con el lenguaje VHDL no se programa sino que se describe un Hardware. Con respecto a la arquitectura las FPGAs no son como los microcontroladores (Mc) que poseen Conversor Análogo/Digital (ADC) y otros recursos listos para ser usados en su interior. Entonces, VHDL es un Lenguaje de Descripción de Hardware (HDL en Inglés) que permite modelar circuitos electrónicos, desde su comportamiento hasta su estructura. Siempre ha existido la confusión de que un lenguaje de descripción de Hardware es lo mismo que un lenguaje de programación como C, pero no, si bien comparten algunas similitudes con palabras reservadas como if, switch, case, etc. No quiere decir que sean lo mismo, ¿Por qué? Bueno, se va a poner de ejemplo a un Mc, en un lenguaje de programación como C, lo que se hace es acceder a los recursos que ya están dentro del microcontrolador, que puede ser por ejemplo el ADC, USB, UART; en cambio en un lenguaje de descripción de hardware lo que se hace es modelar un sistema digital para después ser implementado en un PLD o FPGA ya que éstos no cuentan con una arquitectura definida como en un microcontrolador. A continuación se presentan algunas explicaciones muy básicas sobre arquitectura. El Tema es tan largo como se desee y se seguirá tocando dependiendo de la necesidad.

Las figuras de Arquitectura de FPGA fueron Tomadas del material en Internet de la Profa Patricia Borensztejn: [email protected] Título: Diseño de Sistemas con FPGA La página de la materia es: http://www.dc.uba.ar/materias/disfpga/2012/c1 Y aquí encuentra todas las descargas del curso, entre ellas el material que recomiendo para su lectura que tiene como título introducción https://campus.exactas.uba.ar/mod/folder/view.php?id=61047

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Lo que se muestra en la figura 1 es la estructura básica de construcción interna de un FPGA. Esta es la parte más pequeña de su arquitectura. Se le llama Logic Cell en XILINX y Logic Element (LE) en INTEL FPGA.

Figura 1.- Arquitectura interna de un FPGA

Está compuesta por las LUTs (Look Up Tables), en este caso 3 entradas. Pero dependiendo del modelo de IC (Integrated Circuit) FPGA pueden ser LUTs de 4 ó 6 ó más entradas. En las LUTs es donde se construyen o arman todo lo que es la lógica de

compuertas del diseño en cuestión. Los multiplexores (mux) se explican por si solo y son usados cuando hagan falta diseñar sistemas de múltiples entradas y una única salida. Y los Flip – Flops que poseen todos los FPGAs son de tipo D, sea cual sea el fabricante. Con estos tres componentes se puede construir cualquier circuito y sistema digital que se deba diseñar. Hay elementos que se añaden a la arquitectura, como memorias por ejemplo. Y los más modernos poseen en su interior Microcontroladores (Mc) de tecnología ARM. Volviendo a los Logic Cell y a los LEs. En la arquitectura de construcción los Logic Cell están dentro de algo llamado SLICE. Es lo que normalmente se lee sin mencionar que esta arquitectura corresponde a las FPGAs de XILINX. Hay que profundizar en la tecnología de INTEL FPGA para saber que su arquitectura no usa SLICE. Se puede leer en el datasheet del fabricante del IC Cyclone II en Internet que El Arreglo Lógico Consiste de LABs (Logic Array Block), con 16 LEs en cada LAB. Vea el website https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/hb/cyc2/cyc2 _cii5v1.pdf donde se encuentra la información en la página número 2-1 del capítulo 2. La figura 2 muestra un SLICE con las Logic Cell (LC) en su interior. Como se observa, hay dos bloques de LC. Se debe insistir, depende del modelo de FPGA y empresa fabricante habrán más bloques LC o LE. Vean adicionalmente como la cantidad de entradas de las LUT pasó ahora a 4. Es de lo que se comenta en el párrafo anterior. Cada fabricante en su datasheet informará sobre la arquitectura del FPGA que se ha adquirido. En esta investigación se está trabajando con un IC FPGA cyclone II de la empresa INTEL FPGA.

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Estos LC / LE a su vez están dentro de otro bloque llamado CLB en el caso de XILINX o LAB en el caso de INTEL FPGA. CLB significa Configurable Logic Block. Todos ellos están interconectados dentro del chip FPGA. La figura 3 anteriormente.

Figura 2.- Arquitectura interna de un FPGA

refleja claramente todo lo dicho

Además de los microcontroladores ARM que vienen en las arquitecturas más recientes de los FPGAs, se pueden encontrar también en los CLBs memoria RAM, multiplicadores, sumadores, microcontroladores soft core NIOS II en INTEL y MICROBLAZE en XILINX; y otros componentes que van empoderando cada día más a estos dispositivos

Figura 3.- Arquitectura interna de un FPGA Ahora para que tengan una idea de lo potente que son estos dispositivos. Para este proyecto se cuenta con la FPGA Cyclone II. Tarjeta básica sin ningún periférico adicional. Entiéndase display, pantalla LCD, teclado, puertos de comunicaciones. Nada extra, trae lo básico: Conector de alimentación con regulador externo, puerto USB para grabar los programas en VHDL que se hagan, un pulsador y tres LEDs. Bueno, esa simpleza de Chip que hasta descontinuado está por la empresa fabricante INTEL FPGA posee 4608 LE. Este número indica que posee 4608 Flip – Flop D, 4608 MUX y 4608 combinaciones de compuertas. Aparte de la RAM extra que posee. ¿Interesante no?

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Comentario Esta entrega es un abreboca de lo que la arquitectura de una FPGA. Lo que se pretende con este trabajo es despertar la curiosidad con respecto a como son las FPGAs a lo interno. Faltó hablar de muchas cosas por ejemplo la frecuencia de trabajo para el sincronismo, como trabaja en su interior cuando se trata de DSP (Digital Signal Processing), comparaciones con otras arquitecturas de otras compañías distintas a XILINX y a INTEL.

Espero con este material haber aportado a los interesados en conocer el tema de FPGA y VHDL Seguimos en contacto [email protected]

Ing Pedro Landaeta

LinkedIn https://www.linkedin.com/in/pedro-landaeta-17a7bb60/ Prof Jubilado con más de 25 años de servicio en la Universidad Politécnica Territorial del Estado Aragua “FBF”