quarta-feira, 7 de dezembro de 2011

Arquiteturas das FPGAs

(Resenha Capítulo 9)
Figura 1. Arquitetura de FPGAs Modernas

           As FPGAs (Field Programmable Gate Array) são dispositivos semicondutores para processamento digital que tiveram sua origem a partir da evolução do conceito de PLDs e CPLDs e da indústria de memórias de leitura programáveis (PROM). Elas podem ser usadas para construção de uma vasta gama de dispositivos de hardware. Os FPGAs possuem baixo custo de prototipação e boa flexibilidade.
        Para especificar o funcionamento de FPGA normalmente costuma-se utilizar algum software de designe (como Altera) que possui uma linguagem própria e uma série de ferramentas que facilitam a programação do FPGA. As estruturas de hardware destacadas na Figura 1 são selecionadas pelo software de design a partir das escolhas de um projetista. O software para design seleciona as estruturas apropriadas para atingir as metas desejadas, que podem ser o melhor desempenho possível ou usar a menor quantidade de energia.
         A arquitetura de um FPGA é em sua grande maioria composta por Elementos Lógicos (Logic Elements - LE), dispostos em malhas ao longo de todo o equipamento. Os Elementos Lógicos possuem duas partes: Look-Up Tables (LUT), que podem implementar funções comuns de lógica, tais como portas AND ou OR, e registros que podem implementar lógica síncrona, como flip-flops.
      Outras estruturas de hardware dedicadas, além dos LEs, estão presentes para auxiliar na implementação de funções que podem ser definidas pelo usuário e aumentar o desempenho. Estes recursos estão geralmente dispostos em colunas ao longo da FPGA. Um dos tipos de recursos dedicados são as memórias embutidas (Embedded Memory - EM) que podem ser dispostas sem série ou em paralelo com a finalidade de se obter memórias mais robustas. Multiplicadores embutidos podem ser cascateados de forma a facilitar o processamento digital de sinais (PDS), auxiliando na implementação de funções avançadas de Processamento Digital de Sinais.
          Além disso, as FPGAs possuem elementos de entrada e saída (User-selectable I/O Elements), que podem ser dispostos e usados conforme o desejo do projetista. Estes elementos podem ser posicionados e configurados para comunicar o FPGA com outros dispositivos externos presentes no circuito impresso.
        Os elementos de uma FPGA possuem conexões em uma planta contendo rotas reconfiguráveis e registros de configuração (Configurable Routing and Configuration Registers). Estas rotas são extremamente flexíveis, a fim de manter a compatibilidade para troca de informação com uma intensa gama de outras estruturas de hardwares.
       Na Literatura podemos encontrar várias propostas de novas arquiteturas e aperfeiçoamentos nas arquiteturas modernas. Como em [Renovell et al, 2001] que propõe uma mudança na arquitetura clássica a fim de criar uma FPGA com cadeias de digitalização implícita (Implicit-Scan chain). A justificativa deste trabalho está no fato de as FPGAs comuns não conseguirem implementar circuitos digitalizados (Scanned Circuits) de forma fácil.
      Já [Smith et al, 2010] propõe uma otimização arquitetural nas FPGAs modernas usando programação geométrica. Para isso, é utilizado um fremework de programação geométrica que mostra como o dimensionamento dos transistores e a seleção de parâmetros arquiteturais de alto nível podem ser resolvidos como um problema de otimização concorrente.

        Principais Referências
  • Malagoni, Juliana A. et al. Design Digital Utilizando FPGA. Universidade Federal de Uberlândia. Uberlândia - MG, Brasil.
  • Smith, Alastair M. et al. FPGA Architeture Optimization Using Geometric Programming. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits ans Systems. Volume 29, Nº 8. Agosto, 2010.
  • Renovell, M. et al. IS-FPGA: A New Symmetric FPGA Architeture with Implict SCAN. IEEE. 2001.

Um comentário:

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