Introdução ao FPGA

O que é um FPGA?

No domínio do design digital, um FPGA, ou Field-Programmable Gate Array, é a base da inovação. Inicialmente introduzido como uma evolução de dispositivos programáveis ​​como PAL, GAL e CPLD, um FPGA transcende as limitações dos circuitos convencionais. Posicionado como uma solução semipersonalizada no domínio dos circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), ele não apenas aborda as desvantagens dos circuitos personalizados, mas também as supera.

Em essência, um FPGA é um chip imbuído do poder transformador da programação. Representa um paradigma onde a arquitetura interna do chip não é estática, mas mutável. Para liberar seu potencial, os projetistas criam linguagens de descrição de hardware que, após a programação, passam por uma série de transformações – compilação, síntese, layout e roteamento – por meio de ferramentas de Electronic Design Automation (EDA). O arquivo resultante é então carregado no dispositivo FPGA, iniciando uma metamorfose da fiação interna, culminando na realização de funcionalidades específicas. Neste momento, o FPGA se destaca como um instrumento maleável preparado para aplicações sob medida.

Comparativamente, o FPGA diverge do seu homólogo, o microcontrolador, em essência estrutural. Enquanto os microcontroladores imitam o papel da CPU de um computador, operando dentro dos domínios das arquiteturas Harvard ou von Neumann, a estrutura de um FPGA incorpora a versatilidade das tabelas de pesquisa. Este design intrincado o torna adequado para aplicações sofisticadas, como design de interface de comunicação e processamento de sinais digitais. Além disso, os FPGAs servem como ferramentas instrumentais para validação de protótipos ASIC.

 

Estrutura Básica do FPGA

A essência fundamental do FPGA reside na sua programabilidade, uma característica que impede os circuitos de porta lógica fixa onipresentes em ASICs dedicados. Em vez disso, os FPGAs adotam uma arquitetura flexível que conduz à configuração iterativa. Central para esta estrutura é a Lookup Table (LUT), um componente elementar capaz de incorporar várias funções lógicas digitais. Predominantemente, os chips FPGA contemporâneos permanecem ancorados na tecnologia SRAM, aproveitando sua potência para facilitar a reconfiguração e adaptabilidade contínuas.
Métodos de armazenamento e configuração de dados
Dentro do FPGA existe um bloco de RAM on-chip dedicado ao armazenamento de dados, que é crucial para definir o status operacional do dispositivo. Para que o FPGA funcione corretamente, a RAM no chip deve ser programada adequadamente. Em cenários que envolvem ampla interação de dados externos, periféricos adicionais, como módulos de memória SDRAM ou DDR3, são incorporados para armazenar dados temporariamente. No entanto, em última análise, os dados mantidos temporariamente nesses periféricos devem ser canalizados e processados ​​pela RAM no chip dentro do FPGA.

Após a conclusão do projeto do programa na ferramenta Electronic Design Automation (EDA), o programa de software é gravado no FPGA, empregando vários modos de configuração. Aqui estão alguns modos de configuração comumente usados:

Modo Paralelo: Este modo envolve a configuração do FPGA via PROM paralelo e módulos de memória Flash.
Modo Master-Slave: Utiliza um único PROM para configurar vários FPGAs simultaneamente.
Modo Serial: Neste modo, uma PROM serial é empregada para configurar o FPGA.
Modo Periférico: Aqui, o FPGA funciona como um dispositivo periférico para um microprocessador, que o programa adequadamente.
Atualmente, os FPGAs convencionais dependem predominantemente da tecnologia SRAM, com a maioria das placas de desenvolvimento FPGA adotando o modo de configuração serial. Como a SRAM perde seus dados internos quando há perda de energia, uma memória externa fora do chip capaz de reter dados durante interrupções de energia é comumente conectada para preservar a programação. Conseqüentemente, ao ser ligado, o FPGA recupera dados da memória externa para sua RAM no chip para configuração. Uma vez programado, o FPGA passa para o seu estado operacional; entretanto, ao desligar, os dados armazenados na SRAM interna do FPGA são perdidos, reiniciando a lógica.

Processo de projeto de FPGA

O processo de design de FPGA envolve o desenvolvimento de chips FPGA usando software de desenvolvimento e ferramentas de programação Electronic Design Automation (EDA). Dois métodos principais usados ​​para descrever circuitos de hardware digital são diagramas esquemáticos e HDL (Hardware Description Language). Embora ambos os métodos sejam comuns, o uso de HDL oferece portabilidade superior, versatilidade e facilita o design modular, tornando-o amplamente adotado em ambientes profissionais e acadêmicos. O processo típico de desenvolvimento de FPGA é ilustrado abaixo, abrangendo etapas principais, como definição de função/seleção de dispositivo, entrada de projeto, simulação funcional, otimização abrangente, simulação pós-síntese, implementação, simulação pós-roteamento, simulação em nível de placa e programação de chip e depuração.