FPGA
FPGA (Field-Programmable Gate Array) [1] — это интегральные схемы, которые могут быть программируемыми для выполнения различных логических функций. В отличие от ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), которые предназначены для выполнения конкретных задач, FPGA можно перепрограммировать после производства для выполнения различных вычислительных задач.
- Основные компоненты и архитектура FPGA:
1. **Логические блоки (Configurable Logic Blocks, CLBs)**:
- Основной строительный блок FPGA. Каждый логический блок содержит несколько логических элементов (LE), которые могут выполнять простые логические операции, такие как AND, OR, NOT, и более сложные функции.
2. **Программируемые соединения (Interconnects)**:
- Эти соединения позволяют связать логические блоки друг с другом. Программируемые соединения можно конфигурировать для создания сложных логических цепей.
3. **Входы/выходы (I/O Blocks)**:
- Эти блоки обеспечивают связь FPGA с внешним миром, позволяя подключать различные периферийные устройства и интерфейсы.
4. **Память (Memory Blocks)**:
- Некоторые FPGA включают встроенные блоки памяти, такие как RAM, которые могут использоваться для хранения данных или промежуточных результатов вычислений.
5. **Цифровые сигнальные процессоры (DSP Blocks)**:
- Специализированные блоки для выполнения операций с плавающей точкой и других математических операций.
- Принцип работы FPGA:
1. **Проектирование схемы**:
- Процесс начинается с создания схемы или модели логики, которую нужно реализовать на FPGA. Это может быть сделано с помощью аппаратных языков описания (HDL), таких как VHDL или Verilog.
2. **Синтез и компиляция**:
- Проект синтезируется и компилируется в набор конфигурационных данных, который определяет, как должны быть настроены логические блоки и соединения внутри FPGA.
3. **Конфигурация**:
- Конфигурационные данные загружаются в FPGA через специальный интерфейс (например, JTAG). После загрузки FPGA начинает работать в соответствии с заданной логической схемой.
4. **Исполнение**:
- После конфигурации FPGA начинает выполнять заданные логические операции. Логические блоки обрабатывают входные данные и генерируют выходные сигналы в соответствии с запрограммированной логикой.
- Преимущества FPGA:
- **Гибкость**: Возможность перепрограммирования позволяет изменять функциональность FPGA в зависимости от потребностей. - **Параллелизм**: FPGA могут выполнять множество операций одновременно благодаря параллельной архитектуре. - **Производительность**: Высокая производительность при выполнении задач, требующих параллельной обработки данных. - **Энергоэффективность**: Обычно потребляют меньше энергии по сравнению с универсальными процессорами при выполнении специализированных задач.
- Недостатки FPGA:
- **Сложность разработки**: Проектирование и программирование FPGA требует специальных знаний и опыта. - **Стоимость**: Некоторые высокопроизводительные модели могут быть дорогостоящими. - **Размер и потребление энергии**: Для некоторых применений размер и потребление энергии могут быть выше по сравнению с ASIC.