PROGRAMOVATELNÉ OBVODY FPGA a CPLD

Všechny programovatelné obvody různých typů a různých výrobců jsou vždy zcela technologicky dokončené integrované obvody. Uživatel potom může tyto obvody buď naprogramovat či konfigurovat podle svých požadavků. Podle typu obvodu je buď možné obvody přímo programovat v univerzálním programátoru, konfigurovat je z externí konfigurační paměti nebo je programovat pomocí sériového interface (dnes nejčastěji JTAG interface) přímo zapájené na desce - "in-system programming". Používají se dnes téměř ve všech oblastech ať už ve výrobcích průmyslové nebo spotřební elektroniky.

Různým typům programovatelných obvodů a problematice jejich návrhu byl věnován celý seriál článků, který najdete na stránce TISK.

Typy architektur

• FPGA - Field Programmable Gate Array
• CPLD - Complex Programmable Logic Device

Typy technologií

• SRAM - založené na principu statické paměti - obvykle technologie CMOS. In-system programovatelné a reprogramovatelné. Vyžadují externí paměť.
• Anti-fuse - One-time programmable - CMOS
• EPROM - Electrically Programmable Read-Only Memory CMOS technology. Obvykle jednou programovatelné při výrobě - plastová pouzdra. Obvody v pouzdru s okénkem jsou mazatelné UV zářením.
• EEPROM - Electrically Eraseable Programmable Read-Only Memory CMOS technology. Všechny obvody včetně plastových pouzder lze mazat. Některé obvody jsou programovatelné přímo v systému.
• FLASH - Flash-erase EPROM CMOS technology. Všechny obvody včetně plastových pouzder lze mazat. Některé obvody jsou in-system programovatelné. Obvykle je FLASH buňka menší než odpovídající EEPROM buňka a proto jsou tyto obvody lacinější.

Výrobci

Mezi u nás nejznámější výrobce programovatelných obvodů patří firmy LATTICE, ACTEL, ATMEL ale především firmy ALTERA a XILINX.

Programovatelná hradlová pole FPGA XILINX

Programovatelná hradlová pole (FPGA - Field Programmable Gate Array, LCA - Logic Cell Array) jsou složena ze vstupně/výstupních bloků, matice konfigurovatelných logických bloků a uživatelsky definovatelných propojovacích cest. Funkci jednotlivých bloků a příslušná propojení definuje konfigurační program, který se ukládá do vnitřních paměťových buněk RAM přepisem z vnější paměti ROM, PROM nebo EPROM automaticky po zapnutí napájení. Obvod je možné řídit také přímo z počítače a jeho funkci lze měnit i během provozu.

Mezi hlavní přednosti těchto obvodů patří :

• krátká doba vývoje logického systému
• snadná modifikovatelnost zadání během vývoje systému
• změna funkce integrovaného obvodu (některé typy lze částečně nebo úplně rekonfigurovat a to dokonce za chodu - což je vlastnost v porovnání s ostatními ASIC obvody zcela unikátní)
• ekonomicky výhodné použití v prototypových sériích
• možnost využití již navržených makrobloků
• kompatibilita s PCI standardem
• podpora JTAG (IEEE1149.1) - Boundary Scan na čipu (s vyjímkou řady XC3000)
• rychlá paměť na čipu až 4Mb
• integrace hw bloků CPU, PowerPC 405 do nejnovějších řad Virtex II Pro
• velmi rychlé I/O buňky pro telecom aplikace (3,125Gbit/s)
• šifrování konfiguračního souboru (RSA)

Programovatelné obvody CPLD XILINX

Programovatelné integrované obvody CPLD (Complex Programmable Logic Device) firmy XILINX lze použít jako přímou, ekonomicky i technicky výhodnou náhradu součástek typu PAL, GAL, MACH, MAPL, apod. Nová moderní řada XC95xx je založena na technologii EEPROM FastFLASH, která umožňuje reprogramování součástek přímo v systému (ISP - In System Programmable). Signálové vývody obvodu mohou být konfigurovány jako vstupy, výstupy, obousměrné vývody, se vstupním registrem nebo bez něj. Je možné předem definovat přiřazení signálů na vývody pouzdra a toto přiřazení zachovat i při následných úpravách schématu během vývoje a tím neměnit použitý tištěný spoj. Obvody řady XC95xx mohou být více než 10 000 krát přeprogramovány, jsou kompatibilní s PCI standardem a podporují normu JTAG (IEEE1149.1). Ochranu naprogramovaných dat proti neoprávněnému čtení i zápisu lze zajistit naprogramováním tzv. security bitu.

• krátká doba vývoje logického systému
• snadná modifikovatelnost zadání během vývoje systému
• možnost pevného přiřazení vývodů i při změně funkce obvodu
• ekonomicky výhodné použití v prototypových sériích
• vhodné pro bateriové napájení (CollRunner)
• kompatibilita s PCI standardem
• podpora JTAG (IEEE1149.1)