Descrição De Hardware e FPGA

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Objetivos

 

Esta disciplina descrição de hardware e FPGA têm por objetivo conceituar os alunos nas principais tecnologias nas descrições de hardwares embarcados que possuem grandes poderes de processamentos e controles, tais como:

» Comando e estruturas de formação dos dispositivos lógicos programáveis.

 

» Componentes estruturais para a formação de um dispositivo lógico programável.

» Instruções principais para as aplicações em linguagem de hardware.

 

» Introdução aos conhecimentos de eletrônica digital utilizados nos dispositivos lógicos programáveis.

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FPGA

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Os FPGAs são dispositivos semicondutores cujas suas funções de execução são definidas após a sua manufatura na fábrica, ou seja, suas operações lógicas serão definidas por meio de uma interface computacional como projetista.  Dessa forma, os FPGAs são programados e reprogramados quantas vezes forem necessárias por meio de softwares. Entretanto, uma vez realizada a sua programação e embarcada no dispositivo semicondutor, ele passa a ter uma atuação em nível de hardwares lógicos. Então, é importante ressaltar que a programação feita por meio de software irá fazer funcionar um projeto em hardware.

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O FPGA (Filed Programmble Gate Array) é circuito integrado projetado para ser configurado conforme a necessidade pelo projetista. A sua configuração é realizada utilizando HDL (Hardware Description Language).

Todo FPGA na sua forma mais genérica pode ser dividido em três elementos básicos:

 

» CLB (Configurable Logic Block): que são os blocos lógicos programáveis.

 

» I/O (Input/Output): são entradas e saídas do dispositivo.

 

» Matriz de chaveamento: também programáveis, é responsável por

conectar as I/O com os CLB.

 

A figura a seguir apresenta a estrutura básica de um FPGA com os seus três elementos básicos de sua composição (CLB, I/O e Matriz de chaveamento).

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As portas de entradas e saídas dos dispositivos podem operar somente como entrada ou saída, mas na grande maioria das vezes, os projetistas tendem em fazer uma configuração de bidirecionalidade, ou seja, as portas também podem ser configuradas como entradas e saídas ao mesmo tempo. As matrizes de chaveamentos fornecem as interconexões necessárias entre as portas de saídas ou entradas com a CLB que, por sua vez, são núcleo de processamentos lógicos do FPGA.

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Dentro do CLB, onde é realizada todas as funções lógicas de processamento, também é constituído por outros dispositivos, tais como memórias de todos os tipos e capacidades, conversores A/D e D/A, flip-flops etc. Em muitos casos, também são encontrados microcontroladores e processadores digitais de sinais – DSPs (Digital Signal Processor). Porém, em projetos grandes, esses dois elementos (microcontrolador e DSP) são implementados como um de seu periférico, que auxilia o FPGA, assim como expansões de memórias e display.

 

Os FPGAs são fabricados em função de suas densidades logica (CLB) e velocidade de processamento. Um FPGA pode ter até 180.000 (180 mil) CLBs encapsulados em até 1.000 (um mil) pinos para serem utilizados como I/O. As suas tensões de alimentações variam tipicamente de 1,2 V a 2,5 V, fazendo como que circuitos de operam com tensões de alimentação maiores façam o uso de drives de transistores, relé ou contatores. A figura abaixo ilustra um exemplo de um circuito eletrônico de drive a transistor com um relé para o acionamento de uma lâmpada elétrica, este exemplo é o mais clássico nas literaturas de drives a transistor NPN.

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BINÁRIO x DECIMAL