14/03/2007 Aplicaciones de las FPGAs. Luis Jacobo Álvarez Ruiz de Ojeda 1

Lógica Programable

Profesor:Luis Jacobo Álvarez Ruiz de Ojeda.

Dpto. de Tecnología Electrónica.

Universidad de Vigo.

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ÍndiceÁmbito de aplicación.Campos de aplicación.Tipos de circuitos implementados.Ejemplos de aplicación real.Análisis de aplicaciones.

Estimación de recursos de la FPGA.

Aplicaciones de las FPGAs

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Ámbito de aplicación.Complejidad del circuito media o elevada.

Hasta 200.000 puertas equivalentes.Hasta 5.000 ecuaciones lógicas y biestables.Hasta 500 terminales de E/S de usuario.Hasta 500 MHz de frecuencia de reloj.Hasta 100 kbytes de RAM interna.Hasta 50 MACs hardware.

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Campos de aplicación (I).Sector industrial.

Automoción.

Sector de telecomunicaciones.ADSL, satélite.

Sector científico.Adquisición de datos.

Sector aeroespacial.

Sector informático.

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Campos de aplicación (II).Sector industrial (I).

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Campos de aplicación (III).Sector industrial (II). Automoción.

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Campos de aplicación (IV).Sector de telecomunicaciones.

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Campos de aplicación (V).Sector científico-médico.

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Campos de aplicación (VI).Sector aeroespacial.

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Campos de aplicación (VII).Sector informático.

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Tipos de circuitos implementados (I).Circuitos de interfaz complejos.

Transferencia y almacenamiento de datos: Ethernet, USB, CAN, PCI, IDE, SATA, etc.

Circuitos de procesado de señal.

Sistemas en un Circuito [SOC (“System On Chip”)]:Microprocesador + memoria + periféricos.

Realización de prototipos de ASICs.

Circuitos reconfigurables.

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Tipos de circuitos implementados (II).Circuitos de interfaz complejos (I).

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Tipos de circuitos implementados (III).Circuitos de interfaz complejos (II).

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Tipos de circuitos implementados (IV).Procesado de señal (I).

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Tipos de circuitos implementados (V).Procesado de señal (II). Imágenes.

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Tipos de circuitos implementados (VI).Sistemas en un Circuito (SOC) (I).Consiste en implementar en un único circuito integrado los siguientes circuitos:

Un microprocesador.Una o varias unidades de memoria de programa y/o de datos.Los periféricos del microprocesador.

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Tipos de circuitos implementados (VII).Sistemas en un Circuito (SOC) (II).

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Tipos de circuitos implementados (VIII).Prototipos de ASICs.

La capacidad lógica de las FPGAs permite implementar sistemas digitales que posteriormente se fabricarán como ASIC semimedida o totalmente a medida, para comprobar su funcionalidad.

En general es necesario utilizar varias FPGAs, dispuestas en organización matricial, e intercalar entre ellas circuitos de conexiones configurables.

Es decisiva la potencia de las herramientas de CAD que se utilizan para realizar la partición del diseño y la comprobación conjunta del sistema completo implementado.

Es imprescindible que las FPGAs posean circuitos para su verificación, como los de ”Boundary Scan".

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Tipos de circuitos implementados (IX).Circuitos reconfigurables (I).

Aplicaciones que necesitan cambiar la función de la FPGA en un tiempo muy reducido.

Hasta 1997 no se consiguieron tiempos de configuración inferiores al milisegundo.

De momento el número de aplicaciones es escaso, pero su futuro es muy prometedor, fundamentalmente en el campo de la informática.

Posibilidad de reconfiguración parcial.

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Tipos de circuitos implementados (X).Circuitos reconfigurables (II).

Realización de distintos algoritmos de procesado en diferentes instantes:

Modulación/Demodulación.Transmisión/Recepción.Codificación/Decodificación.Compresión/Descompresión de sonido, vídeo, etc.

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Características de las FPGAs (I).Capacidad lógica elevada.

Integración de sistemas complejos.Sistemas en un Circuito (SOC).Prototipos de ASICs.

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Características de las FPGAs (II).Procesado de datos en paralelo.

Procesado de señal: audio, vídeo, adquisición de datos.

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Características de las FPGAs (III).Implementación de memorias RAM internas.

Coeficientes de filtros y algoritmos de procesado.Programa y datos de microprocesadores empotrados.Memorias búfer de datos (FIFO).

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Características de las FPGAs (IV).Reconfigurabilidad.

Circuitos reconfigurables.

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Ejemplos de aplicación real (I)Módem para comunicaciones vía satélite.

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Ejemplos de aplicación real (II)Control de trayectoria de automóvil.

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Ejemplos de aplicación real (III)Módem ADSL.

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Ejemplos de aplicación real (IV)Tarjeta de adquisición de datos.

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Ejemplos de aplicación real (V)Reproductor de DVD interactivo.

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Ejemplos de aplicación real (VI)Sistema de visión inteligente.

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Ejemplos de aplicación real (VII)Sistema de mejora de imágenes médicas.

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Análisis de aplicaciones.Circuitos de interfaz (I).

CONTROLADORES DE PERIFÉRICOS:Controlador memoria dinámica (DRAM).

TRANSMISOR RECEPTOR DE COMUNICACIONES SERIE CON MEMORIA (“BUFFER”):

Asíncrono (RS232).

INTERFACES CON BUSES ESTÁNDAR:Serie: USB (ordenadores).Paralelo: IDE (ordenadores).

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Controlador de memoria DRAM (I)Diagrama de bloques general.

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Controlador de memoria DRAM (II)Esquema básico del grafo de estados del S.S.S. de control.

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Controlador de memoria DRAM (III)Extracto del grafo de estados, correspondiente a las operaciones de escritura y de lectura.

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Análisis de aplicaciones.Circuitos de interfaz (II).

MODULADORES/DEMODULADORES DE COMUNICACIONES:

PCMCIA para RDSI (ordenadores portátiles) (necesita memorias externas y transceptor RDSI).

USB para ADSL (necesita circuitos específicos para la conexión al bus USB y a la línea ADSL).

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Interfaz USB para ADSL (I)Diagrama de bloques general.

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Interfaz USB para ADSL (II)Solución para la conexión a la línea ADSL, basada en los 3 circuitos “Alcatel DynaMite chipset”.

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Interfaz USB para ADSL (III)Solución para la conexión al interfaz USB basada en el circuito National USBN9602.

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Interfaz USB para ADSL (IV)Diagrama de bloques de los circuitos necesarios.

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Interfaz USB para ADSL (V)Diagrama de bloques de los circuitos de interfaz que se implementarán en la FPGA.

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Interfaz USB para ADSL (VI)Análisis del coste total de los circuitos necesarios.

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Análisis de aplicaciones.Circuitos de procesado de señal.PROCESADORES DE SEÑAL ESPECÍFICOS:

Transformada rápida de Fourier.Transformadas discretas: IDCT (“Inverse Discrete Cosine Transform”) (p.e. en decodificación de vídeo MPEG).Circuitos de procesado borroso (“fuzzy”).

FILTROS DIGITALES FIR (“Finite Impulse Response”):

Filtro paso bajo de 16 etapas. Filtro bidimensional de imágenes de vídeo.Filtros FIR adaptativos.

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Transformada rápida de Fourier (I)Diagrama de bloques de los circuitos necesarios para realizar una FFT mediante aritmética distribuida.

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Transformada rápida de Fourier (II)Comparativa del tiempo de cálculo de una FFT mediante diferentes circuitos (año 1995).

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Procesador borroso (“fuzzy”) (I)Diagrama de bloques de un procesador de 2 variables de entrada y 1 de salida.

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Procesador borroso (“fuzzy”) (II)Funciones de pertenencia (“membership”) de la variable de entrada “Temperatura del aire”.

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Procesador borroso (“fuzzy”) (III)Diagrama de bloques de un circuito “borrosificador”(“fuzzyfier”).

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Procesador borroso (“fuzzy”) (IV)Diagrama de bloques del circuito evaluador de reglas.

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Procesador borroso (“fuzzy”) (V)Diagrama de bloques de un circuito “desborrosificador” (“defuzzyfier”).

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Filtro paso bajo de 16 etapas (I)Diagrama de bloques del filtro.

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Filtro paso bajo de 16 etapas (II)Diagrama de bloques de los circuitos necesarios para implementar el filtro.

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Filtro bidimensional de vídeo (I)Diagrama de bloques del filtro.

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Filtro bidimensional de vídeo (II)Filtro FIR bidimensional.

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Filtro bidimensional de vídeo (III)Diagrama detallado del algoritmo del filtro FIR bidimensional.

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Bibliografía básica (I).[ÁLVAREZ 04] ÁLVAREZ RUIZ DE OJEDA, Diseño Digital con Lógica Programable, Editorial Tórculo, Santiago de Compostela, 2004.

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Bibliografía básica (II).

[CHAN 94] CHAN, Pak K., MOURAD, Samiha, "Digital design using Field Programmable GateArrays", Prentice Hall, New Jersey, 1994.

[JENKINS 94] JENKINS, Jesse H., "Designingwith FPGAs and CPLDs", Prentice Hall, New Jersey, 1994.

[OLDFIELD 95] OLDFIELD, J.V., DORF, R.C., "FieldProgrammable Gate Arrays: Reconfigurable logicfor rapid prototyping and Implementation of Digital Systems", John Wiley & Sons, 1995.

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Bibliografía básica (III).[ACTEL] http://www.actel.com

[ALTERA] http://www.altera.com

[ATMEL] http://www.atmel.com

[QUICKLOGIC] http://www.quicklogic.com

[XILINX] http://www.xilinx.com