Downloaded 33 times
FPGA ve VHDL Ders - 1
- 1. FPGA Alanda Programlanabilir KapıDizisi Dersin Amacı: %90 Teorik, %10 Pratik
- 2. Ödev içerikleri? • Araştırmamakalesi veya konu hakkında bir yazının (blog, araştırma, inceleme, karşılaştırma) sunumu • Sayısal tasarım dersinde yapılan ödevlerin FPGA tasarımlarının yapılması. • 16-bitlik iki sayının çarpımı. • Aritmetik mantık birimi • 4-bitlik toplayıcı • 4-bitlik çarpıcı • 4-bitlik fark alıcı • Karşılaştırıcı devresi • Haberleşme Protokolleri (UART, SPI, I2C, CanBUS, Ethernet) 2
- 3. Ders İçeriği 1. Giriş,Gömülü Sistemler, Entegre Devreler 2. FPGA,Tarihçe,Yapısı,Tasarım Süreci 3. IDE Kurulumu,Tasarım ve Simülasyon Ekranı 4. VHDLTasarımTemelleri 5. VHDL Nesneleri veVeriTipleri 6. Operatörler 7. Kombinasyonel DevreTasarımı 8. Ardışıl DevreTasarımı 9. Dosya ve Hafıza İşlemleri 10.Yapısal DevreTasarımı 11.İleri Konular veTasarımlar 12.Kart Uygulamaları 3
- 4. Gömülü Sistemler • CPU– Merkezi işlem birimi • GPU – grafik işlem birimi • ASIC – Uygulamaya özel entegre devre • FPGA – Alanda programlanabilir kapı dizisi • MCU - Mikro denetleyici Bir makinenin kontrolünü sağlamak için donanım ve yazılımdan oluşan sistemdir. 4
- 5. Gömülü Sistemler –Silicon Alternatives 5
- 6. FPGA nedir? • Üzerindehard-işlemci bulundurmayan ama işlem yapma yeteneği olan bir tek aygıttır. • Sayısal entegre tasarımı için tek yoldur. • Yapılan tasarımlar sonradan değiştirilebilir bir nitelik taşır. • Seri üretim için uygun değildir. • Donanım tasarımı yapılabilen bir aygıttır. • İşlemler donanım üzerinde gerçekleştiğinden inanılmaz hızlıdır. • Varsayılan olarak paralel işlem yapabilen tek teknolojidir. 6
- 7. FPGA – FieldProgrammed Gate Array • FPGA, istenilen tasarıma göre sahada çalışabilecek şekilde programlanmış entegre devredir. • Bu demek oluyor ki; FPGA’lar yerine göre bir mikroişlemci gibi, bir şifreleme ünitesi gibi veya bir grafik kartı gibi işlem görebilir. • Hatta her üçünün aynı anda çalışabileceği bir sistemin parçası da olabilir. 7
- 8. FPGA – FieldProgrammed Gate Array 8
- 9. Gömülü Sistemler –Silicon Alternatives 9
- 10. ASIC - ApplicationSpesific Integrated Circuit • ASIC (Application Specific Integrated Curcuits), özel uygulamalar için geliştirilen tümleşik bir devredir. • FPGA gibi sayısal devrelerin yanında istenirse analog devreler ve alıcı-verici devrelerde içerebilmektedir. • Güç tüketimi açısından daha az enerji harcayıp daha az yer kaplamakta ve daha hızlı işlem yapabilmektedir. • Ancak tasarım maliyetleri açısından daha avantajlı hale gelebilmeleri için aynıASIC devreden binlerce veya on binlerce basılmalıdır. 10
- 11. ASIC - ApplicationSpesific Integrated Circuit Mobil İşlemci iPhone 4 MobilTelefon 11
- 12. ASIC - ApplicationSpesific Integrated Circuit ElektronikTansiyon Aleti Medikal cihaz kontrol entegresi 12
- 13. FPGA ve ASIC Karşılaştırması NRE(Non-recurring engineering), Yinelenmeyen mühendislik, yeni bir ürün veya ürün geliştirmeyi araştırmak, tasarlamak, geliştirmek ve test etmek için bir kerelik maliyet anlamına gelir. Yeni bir ürün için bütçeleme yapılırken NRE, yeni bir ürünün karlı olup olmayacağını analiz etmek için düşünülmelidir. 13
- 14. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • Yeniden düzenlenebilir, değiştirilebilir bir devredir. ASIC • Tasarımı kalıcıdır ve değiştirilemez. Silikona dönüştürüldükten sonra değiştirilmesi imkansızdır. 14
- 15. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • Donanım tanımlama dilleri olanVerilog veya VHDL ile tasarlanır. ASIC • Tıpkı FPGA’larda olduğu gibi, donanım tanımlama dilleri olanVerilog veyaVHDL ile tasarlandıktan sonra silikona aktarılarak entegreye dönüştürülür. 15
- 16. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • Seri üretim için uygun değildir. ASIC • Seri üretim için son derece uygundur. 16
- 17. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • Enerji tüketimi ASIC’lere nazaran yüksektir. ASIC • Enerji tüketimi FPGA’lara nazaran çok düşüktür. 17
- 18. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • FPGA’lar ile analog tasarımlar aynı yerde olamaz. Her ne kadar ADC, PLL gibi bazı özel devreler olsa da alıcı-verici gibi tam analog devreler FPGA’larda bulunmaz. ASIC • ASIC'ler mikroişlemci çekirdekleriyle birlikte aynı kalıpta örneğin analog alıcı-verici gibi tam analog devrelere sahip olabilir. Bu, FPGA'ların sahip olmadığı avantajdır. 18
- 19. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • FPGA'lar, daha iyi algoritma veya daha iyi bir tasarım kullanmak için mevcut tasarımın yükseltilmesi gerekebilecek Radarlar, Cep Telefonu Baz İstasyonları vb. Uygulamalar için son derece uygundur. ASIC • ASIC'ler, tasarımın sık sık veya arada bir kez yükseltilmesi gerekebilecek uygulama alanları için kesinlikle uygun değildir. 19
- 20. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • Bir tasarımın prototiplenmesi ve doğrulanması için tercih edilir. • Pek çok ASIC, FPGA'nın kendileri kullanılarak prototip edilmiştir! • Başlıca işlemci üreticileri kendi çipsetlerini (SoC'ler) doğrulamak için FPGA'ları kullanmakta. • FPGA prototiplemesi ile tasarımın doğru çalıştığından emin olmak daha kolaydır. ASIC • Tamamen doğrulanmadıkça, ASIC'leri kullanarak bir tasarımın prototiplenmesi önerilmez. • Silikon çip oluşturulduğunda, bir tasarım hatasını düzeltmek için neredeyse hiçbir şey yapılamaz (istisnalar uygulanır). 20
- 21. FPGA ve ASICKarşılaştırması FPGA • FPGA tasarımcıları genellikle tasarım dışında ki herhangi bir şeyle ilgilenmezler. • Her şey, tasarımın RTL kodunda açıklandığı şekilde çalıştığından ve zamanlamayı karşıladığından emin olan sentez ve yönlendirme araçlarıyla yapılır. • Böylece, tasarımcılar RTL tasarımını yapmaya odaklanabilirler. ASIC • ASIC tasarımcılarının RTL'den başlayarak resetleme, saat darbesi, fiziksel yerleşim ve yönlendirme, işlem düğümü, üretim kısıtlamaları (DFM), test kısıtlamaları (DFT) vb. her şeye özen göstermeleri gerekir. • Genel olarak, söz konusu alanın her biri farklı uzmanlar tarafından ele alınmaktadır. 21
- 22.
- 23. Gömülü Sistemler –Silicon Alternatives 23
- 24. FPGA ve CPUKarşılaştırması FPGA • Paralel işlem yapar. • Donanımsal olarak uygulanır. • Yüksek hızda çalışarak gerçek zamanlı uygulamaların vazgeçilmezidir. • Çevresel arabirimlere erişim için ayrıca tasarım yapılmalıdır. • Bellek alanı çok sınırlı ve dağınıktır. CPU • Ardışıl işlem yapar. • Yazılımsal olarak uygulanır. • Çalışması değişkendir, hızlı çalışabilmesinin önünde çevresel bağımlılıklar mevcuttur. • Pek çok çevresel arabirime kolaylıkla ulaşılabilir. • Bellek alanı çok geniştir. 24
- 25. FPGA ve CPUKarşılaştırması FPGA • Belli işlemleri doğrudan gerçekleştiremez. (Ör: Floating Point) • Tasarım dili (VHDL) karmaşıktır. • Test ve debug olayı daha zordur. Her bir saat darbesi test edilmelidir. • Tasarım ve test işlemi için arabirim yazılımına ihtiyaç duyar. CPU • İşlemlerde çok yönlülüğe sahiptir, bütün veri tiplerini doğrudan tanıyabilir. • C ile kolaylıkla programlanabilir. • Test ve debug için çok çeşitli araçlara sahiptir. • Programlama ve test işlemi için herhangi bir yazılım arabirimine ihtiyaç yoktur. 25
- 26. FPGA, GPU veCPU Karşılaştırması Kaynak: Araştırma Makalesi (Pulse-coupled neural network performance for real-time identification of vegetation during forced landing, Warne ve arkadaşları, 2014) İHA’ların herhangi bir sıkıntıda iniş işlemini gerçekleştirirken bitki örtüsünün gerçek zamanlı tanımlanarak güvenli iniş gerçekleştirmesi 26
- 27. FPGA ve CPU Karşılaştırması AraştırmaMakalesi Hızlı Fourer Dönüşümünde CPU ve FPGA’ların karşılaştırılması 27
- 28. DSP, FPGA veASIC 28
- 29. CPU, GPU, FPGAve ASIC Karşılaştırması 29
- 30. FPGA ve Mikrodenetleyici •Mikro denetleyici tüketici elektroniğinde yaygın bir şekilde kullanılır. O nedenle de piyasada son derece baskındır. • Mikro denetleyici seri üretimler için uygundur. • FPGA ise özel amaçlı entegrelerin (ASIC) tasarımında kullanılır. O nedenle özel tasarımlarda vazgeçilmez bir unsurdur. • Örneğin 1 milyon adet üretilen bir oyuncakta mikro denetleyici kullanmak yerine ASIC kullanmak maliyeti ziyadesiyle düşürecektir. • Hatta ARM mühendislerinin mikroişlemcilerini tasarlamak için FPGA kullandıkları bilinen bir gerçektir. • FPGA ile her türlü dijital işlemi gerçekleştirmek mümkündür, bir işlemci tasarlamak da buna dahil elbette. • Mikro denetleyicilerde ise yapabilecekleriniz bu aygıtın yapısına bağlıdır. 30
- 31. Entegre Çeşitleri Büyüklüğünü kullanılanmantık kapılarının sayıları belirler. 31
- 32. FPGA ile neleryapabiliriz? • Sayısal entegrelerin sınıflandırılması: • SSI (Small Scale Integration) – Küçük ölçekli entegre • MSI (Middle Scale Integration) – Orta ölçekli entegre • LSI (Large Scale Integration) – Büyük Ölçekli Entegre • VLSI (Very Large SI) – Çok Büyük Ölçekli Entegre Sayısal Entegre Tasarımı (ASIC) gerçekleştirilerek lisanslama işlemi yapılmaktadır. 32
- 33. SSI (Small Scale Integration)– Küçük Ölçekli Entegre 1 – 20 arası sayıda mantık kapısı barındıran entegredir. 33
- 34. MSI (Middle Scale Integration)– Orta Ölçekli Entegre 20 – 100 arası sayıda mantık kapısı barındıran entegredir. 34 74LS90 Sayıcı Entegre Şeması
- 35. LSI (Large Scale Integration)– Büyük Ölçekli Entegre 100 – 5000 arası sayıda mantık kapısı barındıran entegredir. 35
- 36. VLSI (Very LargeScale Integration) – Çok Büyük Ölçekli Entegre 5000 – 10000 arası sayıda mantık kapısı barındıran entegredir. 36
- 37. Entegre Üretim Aşamaları Tasarımişleminden sonra da bazı aşamalar gerçekleştirilmelidir. 37
- 38. Entegre Üretimi • Entegreüretiminde CMOS (FET) veTTL (BJT) temelli teknolojiler kullanılır. • SSI ve MSI ölçekli entegrelerTTL olarak üretilirken; daha büyük ölçekli entegrelerin üretiminde CMOS tercih edilir. • Çünkü CMOS’da birim silisyum alana daha fazla transistör yerleştirilmektedir. • Ayrıca güç tüketimi açısından dolayıda CMOS entegreler tercih edilmektedir. 38
- 39. Entegre Üretimi • Çokfazla sayıda devre elemanının entegreye monte edilmesi fotolitografi yöntemiyle gerçekleşmektedir. • Günümüzde devre elemanları 28 nm’ye kadar küçültülerek silikon tabakaya yerleştirilebilmektedir. • Devre elemanlarının bağlantısı alüminyum ile yapılmaktadır. 39
- 40. Fotolitografi Aşamaları 1. Litografi 2.Gravür (Oyma Baskı) 3. Tortu Giderme 4. Oksidasyon 5. İyonYerleştirme 6. Difüzyon 40
- 41. 1) Litografi • Silikondevre levhası oluşum aşaması olarak da bilinir. • Lazer yardımıyla tabakalara entegrenin baskı devresi işlenir. • Bu sayede maskeleme ve baskılama işlemine hazır bir yüzey elde edilmiş olur. 41
- 42. 2) Gravür (OymaBaskı) Seçici bir şekilde devre levhasında istenmeyen malzemelerin çıkartılma aşamasıdır. 42 EPROM mikro çipinin yakından görünümü
- 43. 3)Tortu Giderme • Fizikselveya kimyasal yollarla levhanın temizlenmesi işlemidir. • Temizlik ve yüzey oluşturma aşamalarının ilkidir. 43
- 44. 4) Oksidasyon Oksijen veyasu kullanılarak silikon levhanın tabakalarının silikon dioksit malzemesine dönüştürülmesi işlemidir. 44
- 45. 5) İyonYerleştirme Tabakanın sonşeklinin verildiği bu aşamada iyonize edilmiş partiküller, elektrik alan yardımıyla tabakaya yerleştirilir. 45
- 46. 6) Difüzyon İyon bombardımanısonrası oluşabilecek olan çeşitli istenmeyen partikülleri tabakadan temizle işlemidir. 46
- 47.