Introduction aux FPGA

Qu'est-ce qu'un FPGA ?

Dans le domaine de la conception numérique, un FPGA, ou Field-Programmable Gate Array, constitue la pierre angulaire de l’innovation. Initialement présenté comme une évolution des dispositifs programmables tels que PAL, GAL et CPLD, un FPGA transcende les limitations des circuits conventionnels. Positionné comme une solution semi-personnalisée dans le domaine des circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC), il répond non seulement aux inconvénients des circuits sur mesure, mais les surmonte également.

Essentiellement, un FPGA est une puce imprégnée du pouvoir transformateur de la programmation. Il s'agit d'un paradigme dans lequel l'architecture interne de la puce n'est pas statique mais modifiable. Pour libérer son potentiel, les concepteurs élaborent des langages de description de matériel qui, lors de la programmation, subissent une série de transformations (compilation, synthèse, mise en page et routage) via les outils d'automatisation de la conception électronique (EDA). Le fichier résultant est ensuite chargé dans le dispositif FPGA, initiant une métamorphose du câblage interne, aboutissant à la réalisation de fonctionnalités spécifiques. À ce stade, le FPGA se présente comme un instrument malléable préparé pour des applications sur mesure.

Comparativement, le FPGA diffère de son homologue, le microcontrôleur, sur le plan structurel. Alors que les microcontrôleurs imitent le rôle du processeur d'un ordinateur, fonctionnant dans les domaines des architectures Harvard ou von Neumann, la structure d'un FPGA incarne la polyvalence des tables de recherche. Cette conception complexe le rend adapté aux applications sophistiquées telles que la conception d'interfaces de communication et le traitement du signal numérique. De plus, les FPGA servent d’outils instrumentaux pour la validation des prototypes ASIC.

 

Structure de base du FPGA

L'essence fondamentale du FPGA réside dans sa programmabilité, une caractéristique qui exclut les circuits à porte logique fixe omniprésents dans les ASIC dédiés. Au lieu de cela, les FPGA adoptent une architecture flexible propice à une configuration itérative. Au cœur de cette structure se trouve la table de recherche (LUT), un composant élémentaire capable d'incarner diverses fonctions logiques numériques. Les puces FPGA contemporaines restent principalement ancrées dans la technologie SRAM, exploitant sa puissance pour faciliter une reconfiguration et une adaptabilité transparentes.
Méthodes de stockage et de configuration des données
Au sein du FPGA, il existe un bloc RAM sur puce dédié au stockage des données, ce qui est crucial pour définir l'état opérationnel du périphérique. Pour que le FPGA fonctionne correctement, la RAM sur puce doit être programmée en conséquence. Dans les scénarios impliquant une interaction étendue de données externes, des périphériques supplémentaires tels que des modules de mémoire SDRAM ou DDR3 sont incorporés pour stocker temporairement les données. Cependant, en fin de compte, les données temporairement conservées dans ces périphériques doivent être acheminées et traitées par la RAM intégrée au FPGA.

Une fois la conception du programme terminée dans l'outil EDA (Electronic Design Automation), le logiciel est gravé dans le FPGA, en utilisant différents modes de configuration. Voici quelques modes de configuration couramment utilisés :

Mode parallèle : ce mode implique la configuration du FPGA via des modules de mémoire PROM et Flash parallèles.
Mode maître-esclave : utilise une seule PROM pour configurer plusieurs FPGA simultanément.
Mode série : dans ce mode, une PROM série est utilisée pour configurer le FPGA.
Mode périphérique : ici, le FPGA fonctionne comme un périphérique pour un microprocesseur, qui le programme en conséquence.
Actuellement, les FPGA grand public s'appuient principalement sur la technologie SRAM, la plupart des cartes de développement FPGA adoptant le mode de configuration série. Étant donné que la SRAM perd ses données internes en cas de coupure de courant, une mémoire externe hors puce capable de conserver les données pendant les coupures de courant est généralement interfacée pour préserver la programmation. Par conséquent, lors de la mise sous tension, le FPGA récupère les données de la mémoire externe dans sa RAM sur puce pour la configuration. Une fois programmé, le FPGA passe à son état opérationnel ; cependant, lors de la mise hors tension, les données stockées dans la SRAM interne du FPGA sont perdues, réinitialisant ainsi la logique.

Processus de conception FPGA

Le processus de conception FPGA implique le développement de puces FPGA à l'aide d'un logiciel de développement et d'outils de programmation Electronic Design Automation (EDA). Les deux principales méthodes utilisées pour décrire les circuits matériels numériques sont les diagrammes schématiques et le HDL (Hardware Description Language). Bien que les deux méthodes soient courantes, l’utilisation du HDL offre une portabilité et une polyvalence supérieures et facilite la conception modulaire, ce qui la rend largement adoptée dans les milieux professionnels et universitaires. Le processus de développement typique d'un FPGA est illustré ci-dessous, englobant des étapes clés telles que la définition de la fonction/la sélection du périphérique, la conception, la simulation fonctionnelle, l'optimisation complète, la simulation post-synthèse, la mise en œuvre, la simulation post-routage, la simulation au niveau de la carte et la programmation des puces. débogage.