FPGA چیست؟

تصور کنید یک تراشه الکترونیکی داشته باشید که بتواند مانند یک لگو، هر بار به شکل و شمایلی جدید درآید. این همان چیزی است که FPGA ها به ما ارائه می‌دهند. با FPGA ها، محدودیتی برای طراحی مدارهای الکترونیکی وجود ندارد. در این مقاله، به دنیای هیجان‌انگیز FPGA ها قدم خواهیم گذاشت و خواهیم دید که چگونه این تراشه‌ها، مرزهای نوآوری در الکترونیک را جابه‌جا می‌کنند.

FPGA چیست؟

FPGA مخفف عبارت Field Programmable Gate Array به معنی آرایه دروازه‌های قابل برنامه‌ریزی در محل است. این تراشه‌های الکترونیکی بسیار قدرتمند و انعطاف‌پذیر هستند که به طراحان اجازه می‌دهند مدارهای دیجیتالی بسیار پیچیده و سفارشی را پیاده‌سازی کنند. از نظر من FPGA را می‌توان به عنوان یک بوم نقاشی دیجیتال در نظر گرفت که طراح مدار می‌تواند با استفاده از آن هر طرحی را پیاده‌سازی کند و در صورت نیاز، آن را تغییر دهد.

این قابلیت به معنای آن است که می‌توان پس از ساخت تراشه، پیکربندی داخلی آن را تغییر داد و به این ترتیب عملکرد آن را به طور کامل تغییر داد. این در حالی است که در مدارهای مجتمع ویژه کاربرد (ASIC) که به صورت سفارشی طراحی می‌شوند، پس از ساخت امکان تغییر در پیکربندی آن‌ها وجود ندارد.

میکروکنترلرچیست؟ و چه کاربرد هایی دارد

ASIC یک مدار مجتمع ویژه کاربرد است که برای انجام یک وظیفه خاص طراحی و ساخته می‌شود. این مدارها به صورت سفارشی برای یک کاربرد خاص بهینه می‌شوند و معماری داخلی آن‌ها ثابت و غیرقابل تغییر است.

ساختار داخلی FPGA چگونه است؟

 همان طوری که قبلا گفته شد FPGAها (Field Programmable Gate Arrays) تراشه‌های الکترونیکی بسیار پیچیده‌ای هستند که ساختار داخلی آن‌ها برای درک کامل عملکردشان بسیار مهم است. در این بخش، ساختار داخلی FPGA را به طور دقیق و مفصل بررسی خواهیم کرد.

بلوک‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (Logic Blocks)

قلب تپنده FPGAها، بلوک‌های منطقی هستند. این بلوک‌ها از سلول‌های منطقی کوچکتری تشکیل شده‌اند که می‌توانند برای پیاده‌سازی انواع مختلفی از توابع منطقی (مانند AND، OR، NOT و …) برنامه‌ریزی شوند. هر سلول منطقی معمولاً شامل یک یا چند جدول جستجو (Look-Up Table) و یک یا چند فلیپ‌فلاپ است. جدول جستجو به FPGA این امکان را می‌دهد تا هر تابع منطقی دلخواهی را با تعداد ورودی مشخص پیاده‌سازی کند.

اتصالات قابل برنامه‌ریزی

 یکی دیگر از ویژگی‌های مهم FPGAها، قابلیت برنامه‌ریزی اتصالات بین بلوک‌های منطقی است. این اتصالات به صورت ماتریسی از سوئیچ‌های بسیار کوچک پیاده‌سازی می‌شوند که می‌توانند بسته به پیکربندی FPGA، به روش‌های مختلفی به یکدیگر متصل شوند. این قابلیت به FPGA اجازه می‌دهد تا ساختارهای بسیار پیچیده و سفارشی را ایجاد کند.

بلوک‌های ورودی/خروجی (I/O Blocks)

 این بلوک‌ها وظیفه برقراری ارتباط بین FPGA و دنیای خارج را بر عهده دارند. هر بلوک ورودی/خروجی شامل یک یا چند پین فیزیکی است که می‌توانند به عنوان ورودی، خروجی یا ورودی/خروجی دو جهته پیکربندی شوند. همچنین، این بلوک‌ها معمولاً دارای ویژگی‌هایی مانند مقاومت‌های کششی، فیلترهای نویز و محافظت در برابر ولتاژهای بیش از حد هستند.

بلوک‌های حافظه

 FPGAها معمولاً دارای بلوک‌های حافظه داخلی هستند که برای ذخیره داده‌ها و دستورات استفاده می‌شوند. این بلوک‌ها می‌توانند به صورت حافظه‌های رم، حافظه‌های فقط خواندنی یا ترکیبی از هر دو نوع باشند. بلوک‌های حافظه در پیاده‌سازی پردازنده‌ها، حافظه نهان و سایر واحدهای پردازشی بسیار مهم هستند.

بلوک‌های ضرب‌کننده

بسیاری از FPGAهای مدرن دارای بلوک‌های ضرب‌کننده اختصاصی هستند که برای انجام عملیات ضرب با سرعت بالا بهینه شده‌اند. این بلوک‌ها در کاربردهایی مانند پردازش سیگنال دیجیتال و یادگیری ماشین بسیار مفید هستند.

بلوک‌های سخت‌افزاری سفارشی

 برخی از FPGAها دارای بلوک‌های سخت‌افزاری سفارشی هستند که برای انجام عملیات خاصی بهینه شده‌اند. به عنوان مثال، برخی از FPGAها دارای بلوک‌های سخت‌افزاری برای پردازش سیگنال دیجیتال، رمزنگاری یا ارتباطات هستند.

مزایا و معایب FPGA

بردهای FPGA به دلیل انعطاف‌پذیری و قابلیت برنامه‌ریزی بالایی که دارند، توانایی انجام طیف وسیعی از کارها را دارند که برای سایر ابزارها دشوار یا حتی غیرممکن است. با این حال، مانند هر فناوری دیگری، FPGAها نیز محدودیت‌ها و چالش‌های خاص خود را دارند.

مزایای FPGAها

• انعطاف‌پذیری بالا: FPGAها قابلیت برنامه‌ریزی مجدد دارند و می‌توان آن‌ها را برای طیف وسیعی از کاربردها پیکربندی کرد. این ویژگی، FPGAها را به ابزاری قدرتمند برای نمونه‌سازی سریع، توسعه سریع محصول و تست ایده‌های جدید تبدیل کرده است.
• سرعت بالا: FPGAها می‌توانند عملیات‌های موازی را با سرعت بسیار بالا انجام دهند. این ویژگی، آن‌ها را برای کاربردهایی مانند پردازش سیگنال دیجیتال (DSP)، یادگیری ماشین و شبکه‌های عصبی مصنوعی بسیار مناسب می‌سازد.
• قابلیت سفارشی‌سازی: با استفاده از FPGAها می‌توان مدارهای بسیار پیچیده و سفارشی را طراحی و پیاده‌سازی کرد که برای کاربردهای خاص بهینه شده‌اند.
• کاهش زمان توسعه: با استفاده از FPGA، می‌توان نمونه‌های اولیه را به سرعت ساخته و آزمایش کرد و در صورت نیاز تغییرات لازم را اعمال کرد.
• کاهش هزینه: در پروژه‌های با حجم تولید کم، استفاده از FPGA می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد.
• قابلیت ادغام با سایر فناوری‌ها: FPGAها می‌توانند با سایر فناوری‌ها مانند میکروکنترلرها، پردازنده‌های دیجیتال سیگنال (DSP) و ASICها ادغام شوند.

معایب FPGAها

• پیچیدگی طراحی: برنامه‌نویسی FPGAها نیاز به دانش تخصصی در زمینه طراحی دیجیتال و زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL) دارد.
• هزینه ابزارهای طراحی: ابزارهای طراحی FPGA معمولاً گران‌قیمت هستند.
• مصرف توان: FPGAها معمولاً مصرف توان بالاتری نسبت به میکروکنترلرها دارند.
• محدودیت در تعداد پین‌ها: تعداد پین‌های ورودی و خروجی در یک FPGA محدود است.
• زمان توسعه طولانی برای پروژه‌های بزرگ: برای پروژه‌های بسیار بزرگ و پیچیده، زمان توسعه FPGA ممکن است طولانی‌تر از ASIC باشد.
• هزینه بالای نمونه اولیه: ساخت نمونه اولیه یک سیستم مبتنی بر FPGA می‌تواند هزینه بر باشد.
• مشکلات در دیباگ کردن: دیباگ کردن کدهای FPGA می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، به خصوص برای پروژه‌های پیچیده.

کاربرد های FPGA

FPGAها (آرایه‌های دروازه‌های قابل برنامه‌ریزی در میدان) به دلیل انعطاف‌پذیری و قابلیت برنامه‌ریزی بالا، در طیف وسیعی از صنایع و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تراشه‌های قدرتمند به مهندسان این امکان را می‌دهند تا مدارهای سفارشی و پیچیده‌ای را طراحی کنند که دقیقاً با نیازهای خاص آن‌ها مطابقت داشته باشد. در ادامه به برخی از کاربردهای گسترده FPGAها خواهیم پرداخت:

پردازش سیگنال دیجیتال (DSP)

• فیلتر کردن: طراحی فیلترهای دیجیتال برای حذف نویز و بهبود کیفیت سیگنال.
• مدولاسیون و دمدولاسیون: استفاده در سیستم‌های مخابراتی برای تبدیل سیگنال‌ها به فرمت قابل انتقال و بازگرداندن آن‌ها به حالت اصلی.
• پردازش تصویر و صدا: انجام عملیات پردازشی بر روی تصاویر و صداها مانند فشرده‌سازی، تقویت و تشخیص الگو.

یادگیری ماشین و شبکه‌های عصبی مصنوعی

• پیاده‌سازی الگوریتم‌های یادگیری ماشین: ساخت مدل‌های یادگیری ماشین برای انجام وظایفی مانند طبقه‌بندی، خوشه‌بندی و رگرسیون.
• شبکه‌های عصبی مصنوعی: پیاده‌سازی شبکه‌های عصبی عمیق برای انجام وظایفی مانند تشخیص تصویر، پردازش زبان طبیعی و تولید متن.

کنترل صنعتی

• پیاده‌سازی کنترل‌کننده‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLC): کنترل فرایندهای صنعتی و سیستم‌های
• رابط‌های انسان-ماشین (HMI): طراحی رابط‌های کاربری برای کنترل و نظارت بر سیستم‌های صنعتی.

خودرو

• سیستم‌های ایمنی: پیاده‌سازی سیستم‌های ترمز ضد قفل (ABS)، کنترل پایداری (ESC) و سایر سیستم‌های ایمنی خودرو.
• سیستم‌های کمک راننده: توسعه سیستم‌های کمک راننده مانند کروز کنترل تطبیقی و سیستم‌های جلوگیری از برخورد.
• سرگرمی خودرو: طراحی سیستم‌های صوتی و تصویری خودرو.

هوافضا و دفاع

• پردازش سیگنال‌های رادار و سونار: پردازش سیگنال‌های دریافتی از رادار و سونار برای شناسایی اهداف.
• سیستم‌های ناوبری: طراحی سیستم‌های ناوبری دقیق برای هواپیماها، ماهواره‌ها و سایر وسایل نقلیه.
• سیستم‌های جنگ الکترونیک: توسعه سیستم‌های جنگ الکترونیک برای مقابله با تهدیدات الکترونیکی.

چه زمانی از FPGA و چه زمانی از ASIC استفاده کنیم؟

FPGA (آرایه دروازه‌های قابل برنامه‌ریزی در میدان) و ASIC (مدار مجتمع با کاربرد خاص) هر دو نوع مدارهای مجتمع هستند که در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. هرچند شباهت‌هایی دارند اما ویژگی‌ها و کاربردهای متمایزی دارند.

مقایسه FPGA و ASIC

شرکت‌ های پیشرو در تولید FPGA

FPGAها به عنوان قلب تپنده بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مدرن شناخته می‌شوند و نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. چندین شرکت بزرگ در سراسر جهان به طراحی و تولید انواع مختلف FPGA می‌پردازند.

Xilinx یکی از پیشگامان صنعت FPGA است و طیف وسیعی از FPGAها با کارایی بالا و قابلیت‌های مختلف را ارائه می‌دهد. Intel نیز با خرید شرکت Altera، سهم قابل توجهی از بازار FPGA را در اختیار دارد. FPGAهای Intel به دلیل کارایی بالا و قابلیت یکپارچه‌سازی با پردازنده‌های Intel شناخته شده‌اند. Lattice Semiconductor بر روی FPGAهای کم‌مصرف و کم‌هزینه تمرکز دارد که برای کاربردهای خاص مانند IoT مناسب هستند. Microsemi نیز طیف گسترده‌ای از FPGAها را برای کاربردهای مختلف، از جمله صنایع هوافضا و دفاع، ارائه می‌دهد.

انتخاب یک FPGA مناسب به عوامل مختلفی مانند کارایی، مصرف انرژی، هزینه، قابلیت برنامه‌ریزی و پشتیبانی بستگی دارد. FPGAها در صنایع مختلفی از جمله ارتباطات، پردازش تصویر، هوش مصنوعی، خودرو و صنایع هوافضا و دفاع مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به طور خلاصه، شرکت‌های Xilinx، Intel، Lattice Semiconductor و Microsemi از جمله بزرگترین تولیدکنندگان FPGA در جهان هستند. هر یک از این شرکت‌ها طیف وسیعی از FPGAها را با ویژگی‌ها و کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند. انتخاب بهترین FPGA برای یک پروژه خاص به نیازهای خاص آن پروژه بستگی دارد.

انواع بردهای FPGA و کاربردهای آن‌ها

بردهای FPGA به عنوان بسترهایی برای پیاده‌سازی ایده‌های نوآورانه در حوزه الکترونیک، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. این بردها با ترکیب سخت‌افزار قدرتمند FPGA و نرم‌افزارهای طراحی، امکانات بی‌نظیری را برای توسعه پروژه‌های مختلف فراهم می‌کنند. در ادامه به معرفی چند نمونه از این بردها و کاربردهای آن‌ها می‌پردازیم:

1. بردهای سری Zynq از Xilinx ترکیبی از یک FPGA و یک پردازنده ARM Cortex-A هستند. این ترکیب به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد تا از قدرت پردازش ARM برای اجرای سیستم عامل‌ها و نرم‌افزارهای سطح بالا و از قابلیت‌های FPGA برای انجام محاسبات موازی و پردازش سیگنال دیجیتال استفاده کنند.

2. بردهای سری Artix از Xilinx  : بردهای Artix برای کاربردهایی با هزینه پایین و مصرف انرژی کم طراحی شده‌اند. این بردها برای پروژه‌های کوچک و متوسط بسیار مناسب هستند.

3. بردهای سری MAX10 از Intel (Altera سابق) : بردهای MAX10 به دلیل مصرف انرژی پایین و قابلیت‌های امنیتی بالا، برای کاربردهایی که نیاز به اطمینان‌پذیری بالا دارند، بسیار مناسب هستند.

4.بردهای سری ECP5 از Lattice Semiconductor : بردهای ECP5 برای کاربردهایی که نیاز به سرعت بالا و مصرف انرژی کم دارند، طراحی شده‌اند. این بردها برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال بسیار مناسب هستند.

زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA

VHDL و Verilog دو زبان اصلی برای برنامه‌نویسی FPGA هستند. این زبان‌ها شباهت‌هایی به زبان‌های برنامه‌نویسی نرم‌افزاری دارند، اما برای توصیف سخت‌افزار بهینه‌سازی شده‌اند. با استفاده از این زبان‌ها، مهندسان می‌توانند به FPGA بگویند که چگونه داده‌ها را پردازش کند، چگونه با سایر قطعات الکترونیکی ارتباط برقرار کند و چه تصمیماتی بگیرد.

 تصور کنید می‌خواهید به یک ربات بگویید چگونه یک لیوان آب را بردارد، با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA شما به ربات می‌گویید که کدام موتورها را فعال کند، با چه سرعتی حرکت کند و چه زمانی دست خود را باز یا بسته کند. به همین شکل، در FPGA، شما به تراشه می‌گویید که چگونه سیگنال‌های الکتریکی را پردازش کند تا عملکرد مورد نظر را ایجاد کند.

چرا VHDL و Verilog؟

VHDL و Verilog دو زبان توصیف سخت‌افزار (HDL) هستند که به طور گسترده در طراحی مدارهای دیجیتال، به ویژه برای پیکربندی FPGAها استفاده می‌شوند. هر دو زبان امکان توصیف دقیق رفتار و ساختار مدارهای الکترونیکی را فراهم می‌کنند، اما تفاوت‌های مهمی نیز دارند که انتخاب یکی از آن‌ها را به عوامل مختلفی وابسته می‌کند.

VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) زبانی است با ساختار رسمی و دقیق‌تر. سینتکس VHDL شباهت بیشتری به زبان‌های برنامه‌نویسی دارد و از انواع داده قوی و سیستم تایپینگ قوی پشتیبانی می‌کند. این ویژگی‌ها باعث می‌شوند که VHDL برای طراحی مدارهای پیچیده و بزرگ‌مقیاس مناسب‌تر باشد. از سوی دیگر، یادگیری و پیاده‌سازی VHDL ممکن است برای مبتدیان دشوارتر باشد.

Verilog زبانی است با سینتکس ساده‌تر و شباهت بیشتری به زبان برنامه‌نویسی C. این زبان از توصیف ساختاری مدارها پشتیبانی می‌کند و برای طراحی مدارهای کوچک‌تر و سریع‌تر مناسب‌تر است. Verilog همچنین از قابلیت‌های مدل‌سازی سطح سیستم پشتیبانی می‌کند که برای طراحی سیستم‌های روی تراشه (SoC) مفید است.

کلام آخر

FPGAها همانند بوم نقاشی دیجیتال هستند که به شما اجازه می‌دهند مدارهای الکترونیکی دلخواه خود را طراحی کنید. با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی مانند VHDL و Verilog، می‌توانید ایده‌های نوآورانه خود را به واقعیت تبدیل کنید. این فناوری، مرزهای نوآوری در صنایع مختلف را جابه‌جا کرده و به شما امکان می‌دهد تا سیستم‌های الکترونیکی با کارایی بالا و سفارشی شده را توسعه دهید.

یادگیری برنامه‌نویسی FPGA یک سرمایه‌گذاری ارزشمند برای مهندسان الکترونیک است. با تسلط بر این مهارت، شما می‌توانید در پروژه‌های هیجان‌انگیزی مشارکت کنید و نقش مهمی در پیشرفت فناوری ایفا کنید. دنیای FPGA پر از امکانات بی‌نهایت است و تنها محدودیت، تخیل شماست. پس دست به کار شوید و با این فناوری جذاب آشنا شوید.

امیدواریم این اطلاعات برای شما مفید باشد. ما به نظرات شما برای بهبود محتوایمان اهمیت می‌دهیم. لطفا در بخش نظرات نظر خود را بنویسید.همچنین می توانید در شبکه های اجتماعی نیز با ما در ارتباط باشید

ترجمه و جمع آوری : واحد خدمات ، تحقیق و توسعه رباتیک صنعت