Temel FPGA Eğitimi
- FPGA (Alan(da) Programlanabilir Kapı Dizileri-Field Programmable Gate Array) teknolojileri, ilk kez 1985 yılında Xilinx Inc. tarafından geliştirilen XC2064 modeli ile elektronik tasarım alanına kazandırılmıştır (Xilinx Inc., 1985). Üretim sonrası kullanıcı tarafından donanım düzeyinde yeniden yapılandırılabilmesi sayesinde FPGA yongaları, modern elektronik sistemlerde esnek, yüksek performanslı ve uygulamaya özel çözümler sunan önemli yarı iletken bileşenler hâline gelmişlerdir. FPGA yongalarının temelini oluşturan programlanabilir kapı dizileri, içerisinde yer alan milyonlarca hatta modern cihazlarda milyarlarca transistör aracılığıyla kullanıcıya donanım mimarisini ihtiyaç duyulan tasarıma göre yeniden şekillendirme imkânı sunmaktadır.
- Günümüzde FPGA yongalarının 11 milyar USD’den daha fazla küresel Pazar büyüklüğüne sahip olduğu düşünülmektedir, bu pazar payının büyük bölümünü ise AMD (Xilinx) ve INTEL (Altera) gibi global tedarikçiler sağlamaktadır. FPGA pazarının son yıllardaki büyümesi ve cihazların artan işlem kapasitesi, bu teknolojiyi birçok endüstride kritik bir konuma getirmiştir. Günümüzde FPGA teknolojileri başta uzay ve savunma sanayi olmak üzere sonar, radar, görüntü ve sinyal işleme, tıp elektroniği ve tüketici elektroniği gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır.
- FPGA yongalarının sunduğu yeniden yapılandırılabilir donanım yapısının etkin şekilde kullanılabilmesi için, tasarım sürecinde donanım tanımlama dillerinden yararlanılmaktadır. Bu diller, geleneksel yazılım dillerinden farklı olarak donanımın yapısını, veri akışını ve zamanlama davranışını tanımlamak amacıyla kullanılmaktadır.
- FPGA tabanlı sistemlerin geliştirilmesinde en yaygın kullanılan donanım tanımlama dilleri arasında VHDL, Verilog ve SystemVerilog yer almaktadır. Bu diller sayesinde sayısal devreler modellenebilmekte, simülasyonları gerçekleştirilebilmekte ve hedef FPGA donanımı üzerinde gerçeklenebilmektedir.
- VHDL (VHSIC Hardware Description Language):VHDL, özellikle akademik çalışmalarda, savunma sanayi uygulamalarında ve disiplinli tasarım yaklaşımının önemli olduğu projelerde yaygın olarak tercih edilen bir donanım tanımlama dilidir. Güçlü sözdizimi, katı tip kontrolü ve modüler yapısı sayesinde büyük ve karmaşık donanım sistemlerinin güvenilir biçimde modellenmesine imkân sağlar.
- Verilog: Verilog, daha sade sözdizimi ve öğrenme kolaylığı nedeniyle FPGA ve ASIC tasarımlarında yaygın biçimde kullanılan bir diğer donanım tanımlama dilidir. C diline benzer yapısı sayesinde özellikle endüstriyel uygulamalarda hızlı geliştirme süreçlerinde avantaj sağlamaktadır.
- SystemVerilog: SystemVerilog ise Verilog dilinin gelişmiş bir türevi olup hem donanım tasarımı hem de doğrulama süreçlerinde kullanılmaktadır. Gelişmiş veri tipleri, arayüz yapıları ve testbench yazımına yönelik sağladığı imkânlar sayesinde özellikle büyük ölçekli ve karmaşık tasarımlarda önemli avantajlar sunmaktadır.
FPGA’nın Temel Özellikleri
- Kısa geliştirme döngüsü
- Yüksek paralel hesaplama verimliliği
- Özelleştirilebilir donanım mimarisi
- Yüksek hız ve düşük gecikme
- Düşük güç kullanımı
- Deterministik çalışma kabiliyeti
İlk FPGA 1985 yılında Xilinxs firması tarafından tasarlandı (Ross Freeman-XC2064-10MHz-64 adet CLB,58 adet I/O).
FPGA MİMARİ YAPISI
FPGA, programlanabilir mantık bloğu (CLB), giriş/çıkış modülü (IOB), programlanabilir ara bağlantı kaynağı (PIR) ve programlama verilerini depolamak için statik bellek SRAM gibi üç programlanabilir devreden oluşur.
CLB (Configurable Logic Block) Temel mantık Blokları.
LUT (Look-Up Table) FPGA'nin karar verme mekanizmasıdır. Belirli bir giriş kombinasyonu için çıkış değerlerini saklar.
Flip-Flop'lar bir bitlik veri depolayabilen ve belirli saat sinyalleriyle tetiklenen hafıza elemanlarıdır.
