آشنایی با آرایه‌های دروازه قابل برنامه‌ریزی میدانی

آرایه‌های دروازه قابل برنامه‌ریزی میدانی (FPGA) یکی از پرکاربردترین فناوری‌ها در طراحی سیستم‌های دیجیتال هستند که امکان برنامه‌ریزی مجدد و تغییر در ساختار داخلی مدارها را به طراحان و مهندسان می‌دهند. این دستگاه‌ها نه تنها توانایی انجام محاسبات پیچیده را دارند، بلکه به دلیل قابلیت انعطاف‌پذیری بالای خود در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی، تجاری، و علمی استفاده می‌شوند. برای درک بهتر این تکنولوژی، در ادامه به ویژگی‌ها، ساختار، کاربردها، و روند تکامل FPGAها پرداخته می‌شود.

مشاهده تامین کنندگان این کالا در تکصان

تعریف و معماری FPGA

FPGA یک قطعه سخت‌افزاری است که از تعداد زیادی بلوک منطقی قابل برنامه‌ریزی، سوئیچ‌های اتصال، و درگاه‌های ورودی/خروجی تشکیل شده است. برخلاف مدارهای مجتمع خاص کاربرد (ASIC)، که برای وظیفه‌ای خاص طراحی می‌شوند و تغییر آن‌ها پس از تولید غیرممکن است، FPGAها قابلیت برنامه‌ریزی مجدد دارند. این بدین معناست که یک FPGA می‌تواند برای انجام وظایف مختلف دوباره برنامه‌ریزی شود، حتی پس از نصب در یک سیستم.

ساختار FPGA

ساختار اصلی یک FPGA به شرح زیر است:

• بلوک‌های منطقی (Logic Blocks): این بلوک‌ها وظیفه انجام عملیات منطقی را بر عهده دارند و به صورت واحدهای قابل برنامه‌ریزی درون FPGA هستند. هر بلوک می‌تواند شامل گیت‌های منطقی، فلپ‌فلاپ‌ها و برخی واحدهای پردازش مانند جمع‌کننده‌ها و ضرب‌کننده‌ها باشد.
• شبکه‌های ارتباطی (Routing Networks): این شبکه‌ها به طور کامل به بلوک‌های منطقی متصل شده و اجازه می‌دهند که اطلاعات بین بلوک‌ها منتقل شود. این شبکه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که انعطاف‌پذیری بالایی را در اتصال اجزای مختلف فراهم کنند.
• درگاه‌های ورودی/خروجی (I/O Ports): این درگاه‌ها امکان ارتباط FPGA با دنیای بیرونی را فراهم می‌آورند. داده‌ها می‌توانند از طریق این درگاه‌ها به یا از FPGA منتقل شوند.
• ماژول‌های پردازشی (Processing Elements): برخی از FPGAها دارای ماژول‌های خاصی هستند که عملکردهایی مشابه به پردازنده‌ها دارند، مانند پردازش سیگنال‌های دیجیتال (DSP) یا حافظه‌های خاص.

برنامه‌ریزی و پیکربندی FPGA

برنامه‌ریزی FPGA یک فرآیند حیاتی است که در آن پیکربندی اولیه FPGA برای انجام وظیفه‌ای خاص تعریف می‌شود. این پیکربندی به کمک نرم‌افزارهای مخصوص مانند Vivado از شرکت Xilinx یا Quartus Prime از شرکت Intel (Altera) انجام می‌شود. در این مرحله، طراحان الگوریتم‌های مورد نظر را در قالب کدهای سخت‌افزاری (HDL) مانند VHDL یا Verilog می‌نویسند. سپس، کدهای نوشته شده توسط نرم‌افزار به یک پیکربندی قابل بارگذاری بر روی FPGA تبدیل می‌شوند.

کاربردهای FPGA

• پردازش سیگنال‌های دیجیتال (DSP): FPGAها به دلیل سرعت بالا و توان پردازشی خود، برای پردازش سیگنال‌ها در زمان واقعی استفاده می‌شوند. در بسیاری از سیستم‌های ارتباطی و تصویربرداری پزشکی مانند MRI یا CT Scan از FPGAها برای پردازش داده‌های دریافتی استفاده می‌شود.
• شبکه‌های ارتباطی و مخابرات: FPGAها برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال‌های مخابراتی مانند OFDM (مدولاسیون چند باند فرکانسی) و MIMO (چند ورودی-چند خروجی) کاربرد دارند.
• رایانه‌های عملکرد بالا (HPC): با توجه به قدرت پردازشی بالا و قابلیت‌های موازی FPGAها، این دستگاه‌ها به طور گسترده در محاسبات علمی و مدل‌سازی‌های پیچیده مانند شبیه‌سازی‌های عددی و محاسبات فیزیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• خودرو و اتوماسیون صنعتی: در خودروهای هوشمند و سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، FPGAها می‌توانند برای انجام محاسبات پیچیده و تصمیم‌گیری در زمان واقعی استفاده شوند. همچنین در سیستم‌های ADAS (سیستم‌های کمک راننده پیشرفته) و خودروهای خودران از FPGAها برای پردازش داده‌های حسگرها و پردازش سیگنال‌های تصویری استفاده می‌شود.
• سیستم‌های امنیتی: در بخش امنیت و تشخیص چهره، FPGAها به دلیل توانایی پردازش داده‌ها به صورت موازی، برای شبیه‌سازی و پیاده‌سازی الگوریتم‌های یادگیری ماشین و تشخیص الگو استفاده می‌شوند.

مزایا و معایب FPGA

مزایا:

• انعطاف‌پذیری بالا: FPGAها می‌توانند برای هر نوع کاربردی برنامه‌ریزی شوند و این امکان را می‌دهند که ویژگی‌های طراحی تغییر کرده و به‌روزرسانی شوند.
• عملکرد بالا: به دلیل امکان پردازش داده‌ها به صورت موازی و در سطح سخت‌افزاری، FPGAها می‌توانند سرعت پردازش بالاتری نسبت به پردازنده‌های معمولی داشته باشند.
• پشتیبانی از چندین استاندارد: FPGAها می‌توانند به راحتی برای پشتیبانی از پروتکل‌های مختلف ارتباطی و سخت‌افزاری به کار گرفته شوند.

معایب:

• هزینه: هزینه تولید و طراحی FPGA ممکن است بالاتر از استفاده از راه‌حل‌های خاص مانند ASIC باشد.
• مصرف انرژی: به دلیل پردازش‌های سنگین، FPGAها می‌توانند مصرف انرژی زیادی داشته باشند که در برخی کاربردها می‌تواند محدودکننده باشد.
• پیچیدگی طراحی: طراحی برای FPGA نیاز به دانش عمیق از زبان‌های سخت‌افزاری و ابزارهای توسعه دارد.

آینده FPGA

با توجه به پیشرفت‌های روزافزون در زمینه‌های مصنوعی هوش، اینترنت اشیاء (IoT)، و شبکه‌های ارتباطی 5G، FPGAها روز به روز اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند. استفاده از FPGA در این زمینه‌ها به دلیل توان پردازشی بالا و انعطاف‌پذیری آنها در پردازش داده‌های حجیم و پیچیده، رشد زیادی خواهد داشت. همچنین با توجه به پیشرفت‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری، پیش‌بینی می‌شود که FPGAها به مرور زمان کارایی بهتر و مصرف انرژی کمتری خواهند داشت.

رایگان در تکصان ثبت نام کنید!

منبع

• IEEE - Introduction to FPGA