FPGA mimarisi nedir? Bu makalede, FPGA teknolojisi ve mimarisi hakkında bilgi sahibi olabilirsiniz FPGA nedir, nasıl çalışır, avantajları nelerdir gibi soruların yanıtlarını öğrenin FPGA mimarisi hakkında daha fazlası için okumaya devam edin
FPGA, Field Programmable Gate Array kelimelerinin kısaltmasıdır. FPGA’lar, lojik işlemler ile ilgili işlemleri yerine getirmek için özelleştirilmiş bir donanım mimarisidir. Bu özelleştirilmiş mimarinin sağladığı avantajlar, işlemcinin ana hatlarına göre daha hızlı ve daha verimli bir şekilde çalışmasına olanak tanır. Bu özelliği sayesinde, FPGA’lar özellikle karşılaştırmalı olarak yüksek hızlarda çalışmasına ve düşük gecikmelerle işlem yapmasına olanak tanıyan tümleşik devreler ve teknolojiler için ideal bir seçenektir.
Bu özelleştirilmiş hardware mimarisi sayesinde, FPGA’lar, işlem yapmak için özel bir işlemci gerektirmez ve doğrudan donanım verilerinden çalışarak sonuçları hızlı bir şekilde üretebilirler. Aynı zamanda, FPGA'lar diğer tümleşik devrelere kıyasla daha çok güç tüketir ancak özellikle büyük bir veri işlemesi gerektiği zaman aynı işlemi çok daha hızlı tamamlar. FPGA, birkaç işlem sonrasında bile büyük verilerde işlem yapabilecek gelişmiş bir donanım olarak değerlendirilmektedir.
FPGA’ların Özellikleri Nelerdir?
FPGA, özelleştirilmiş lojik işleme işlevlerini yerine getiren özel bir donanım mimarisidir. Başlıca özellikleri arasında yüksek hızlı veri işleme, paralel işleme, enerji tasarrufu ve yüksek ölçeklenebilirlik bulunmaktadır. FPGA'lar, diğer donanım mimarilerine göre daha hızlı ve daha az güç tüketerek çalışır. Ayrıca, FPGA'larda, programlanabilir lojik öğeler (PLS) bulunur ve bu öğeler, FPGA'nın işlevlerinin özelleştirmesinde önemli bir rol oynar.
Ayrıca, FPGA'lar, tasarımların ölçeğinin genişletilmesi için uygun olan yapısı nedeniyle yüksek ölçeklenebilirlik özelliğine sahiptir. Bu, FPGA'ların farklı projelerde kullanılmasını kolaylaştırır. FPGA'lar, güvenli ve doğru çalışma sağlamak amacıyla test edilebilir ve doğrulanabilir. Genel olarak, FPGA'ların özellikleri, daha iyi performans, güç tüketimi, esneklik, ölçeklenebilirlik ve kullanışlılık sağlar.
Programlanabilir Lojik Öğeler (PLS)
Programlanabilir Lojik Öğeler (PLS)
PLS'ler FPGA tasarımının temel yapı taşlarıdır ve FPGA'yı programlamak için kullanılan temel donanım birimleridir. PLS, her biri farklı bir işlevi yerine getiren farklı modüller içerir. Bu modüller NAND, XOR, OR, AND, flip-flop, DLL, PLL ve diğerleri gibi lojik işlemleri gerçekleştirebilir.
PLS'ler, yapılandırılabilir mantık bloklarındaki lojik işlev veya işler için seçilen parametrelerle programlanır. PLS'ler, FPGA üzerindeki yapılandırılabilir mantık bloklarındaki lojik işlemleri gerçekleştiren küçük bloklardır.
PLS'ler, FPGA tasarımcılarına isteklerine göre lojik işlevleri ve arayüzleri tasarlama esnekliği sağlar. Bu nedenle, FPGA tasarımcıları, birçok farklı mantık işlevi gerçekleştiren PLS'ler kullanarak yüksek performanslı tasarımlar oluşturabilirler.
PLS'ler sayesinde FPGA tasarımcıları, özel bir işlem yapmak için ayrı bir donanım gerektirmeyen, FPGA'nın yüksek özelleştirme potansiyelinden yararlanabilirler.
LUT’lar (Lookup Tables)
LUT’lar (Lookup Tables), FPGA mimarisi içinde kullanılan temel lojik öğelerdir. Dijital devrelerde matematiksel işlemlerin en yaygın gösterimi olarak kullanılırlar. Anlık bir veri akışı ve gösterimi sağlaması nedeniyle de dijital devrelerde sıklıkla tercih edilirler. LUT’lar içindeki özel tablolar, bir giriş seviyesini belirli bir çıkış seviyesine bağlayarak ilk giriş seviyesinin işleme tabi tutulmasını sağlar. Bu sayede, dijital sinyaller belirli bir yönde işlenir.
LUT’lar, FPGA tasarımı ve programlamasında en sık kullanılan öğelerdendir. Birden fazla LUT bloğu içeren FPGA’lar, daha yüksek performans ve kapasite sağlarlar. LUT’lar, kodlama sürecinde çok önemli bir role sahiptir ve tasarım aşamasında en ince ayrıntısına kadar planlanmalıdır.
Flip-Flop’lar
Flip-Flop’lar, dijital verilerin depolandığı ve durumlarının değiştirilmesine izin veren temel bir devre elemanıdır. Birçok farklı türde Flip-Flop vardır ve her birinin farklı özellikleri vardır. D tipi Flip-Flop, en yaygın kullanılan türdür ve verileri yalnızca belirli bir zaman aralığında kabul eden bir giriş özelliğiyle karakterizedir.
Bu Flip-Flop'ların birçok farklı uygulaması vardır. Bir örnek, bir sayıcıdır. Sayıcıda, her bir Flip-Flop bir bit değerini temsil eder ve bir sonraki sayıya geçmek için durumlarını değiştirir. Örneğin, 0-1-2-3-4-5-6-7-0 gibi bir döngü oluşturan 3-bitlik bir sayıcı, üç D tipi Flip-Flop kullanarak yapılandırılabilir.
Flip-Flop'lar, dijital devrelerin temel bir bileşenidir ve çok yönlüdür. Her bir Flip-Flop küçük olabilir, ancak birbirleriyle birleştirilerek karmaşık sistemlerin tasarımında kullanılabilirler.
Konfigürasyon Bloğu
Konfigürasyon bloğu, FPGA mimarisinde önemli bir yer tutan belleklerin ve lojik öğelerin konfigürasyon bilgilerinin depolandığı birimdir. Bu blok, FPGA’nın nasıl çalışacağına ve hangi işlevleri yerine getireceğine karar verir. FPGA’nın içindeki bu blok, özelleştirilmiş donanım mimarisi sayesinde diğer dijital devrelerden farklı olarak programlanabilir bir yapıya sahiptir.
Konfigürasyon bloğu, FPGA’nın güçlü bir özelliklerini oluşturur. Bu blok sayesinde FPGA programlanabilir özellik kazanarak, farklı işlevleri yerine getirebilir. Konfigürasyon bloğunda yer alan bellekler ve lojik öğeler, FPGA’nın işlevselliğini belirler ve bu sayede diğer dijital devrelere göre daha hızlı ve özelleştirilebilir bir teknoloji haline gelir.
FPGA Nasıl Çalışır?
FPGA’lar, programlanabilir donanım özellikleri sayesinde belirli bir işlevi yerine getiren özelleştirilmiş bir donanım mimarisi olarak karşımıza çıkmaktadır. FPGA’nın diğer donanımlara göre en büyük avantajı, gerçekleştirilen tasarımın özel bir yönünün lojik işleme işlevlerini yerine getirmek için özelleştirilebilmesidir.
FPGA, programlanabilir lojik öğeleri veya PLS’leri, konfigürasyon blokları, yapılandırılabilir mantık blokları (CLBs) ve diğer öğeleri içeren bir donanım tasarımıdır. Bu bileşenlerin birleşimi, özelleştirilmiş bir donanım mimarisi oluşturur ve FPGA’nın çalışma prensiplerini belirler.
Bu işlem, FPGA'nın yüklenmesi ve programlanmasıyla başlar. FPGA, başlangıçta bir silisyum pelteği içinde bulunan birbirine bağlı lojik hücrelerin (lookup table, flip-flop vb.) düzenlenmesiyle oluşturulur. Bu düzenlemeler, tasarım amacına göre belirlenir.
Programlama dilleri, tasarımın FPGA üzerinde nasıl gerçekleştirileceğini belirler. Ve tasarımda kullanılan dilden bağımsız olarak, sonuçta oluşturulan donanım özelleştirilir ve tasarımın doğru çalışmasını sağlar. FPGA’nın özelleştirilebilirliği, güçlü parçalar halinde çalışmasını sağlayarak işlevselliği optimize eder ve tasarımın daha az güç tüketmesini sağlar.
Kısacası, FPGA, programlanabilen donanım teknolojisine dayalı özelleştirilmiş bir donanım mimarisi olarak karşımıza çıkar. Tasarım dilleri ve programlama dilleri sayesinde özelleştirilebilir, belirli bir işlevi etkin bir şekilde yerine getirir ve elektronik endüstrisinde oldukça önemli bir yer tutar.
FPGA Programlama Dilleri
FPGA’lar benzersiz bir donanım mimarisi olarak özelleştirilmiştir ve programlanabilir lojik öğeleri (PLS) ile yapılandırılabilir yapıları sayesinde geniş kullanım alanlarına sahiptir. FPGA programlama dilleri, FPGA’ların programlanabilir özelliklerinden tam olarak yararlanmak ve cihazda belirli işlevleri gerçekleştirmek için kullanılan önemli bir faktördür.
Yüksek seviye FPGA programlama dilleri arasında VHDL (Hardware Description Language) ve Verilog, yapısı nedeniyle en bilinenleri arasındadır. Bunların yanı sıra düşük seviye FPGA programlama dilleri arasında ise C ve C++ gibi yaygın diller bulunmaktadır. Bu dillere ek olarak, OpenCL programlama dili de bir FPGA programlama dili olarak kullanılabilir.
FPGA programlama dilleri, FPGA’ların tasarımı ve yapısı hakkında detaylı bilgi sahibi olmayı gerektiren bir alandır. Ancak, bu diller kullanılırken, FPGA’ların programlanması kolaylaştırılır ve tasarım işlemi hızlandırılır.
- VHDL: Donanım Tanımlama Dili
- Verilog: Donanım Tanımlama Dili
- C/C++: Programlama Dili
- OpenCL: Hesaplama Dil
| Yüksek Seviye FPGA Prog. Dilleri | Düşük Seviye FPGA Prog. Dilleri |
|---|---|
| VHDL | C/C++ |
| Verilog |
Yapılandırılabilir Mantık Blokları (CLBs)
FPGA’lar, tasarımların özelleştirilmiş bir donanım mimarisiyle lojik işleme işlevlerini gerçekleştirebildiği bir teknolojidir. Bu lojik işleme işlevlerinin gerçekleştirilmesinde yapılandırılabilir mantık blokları (CLBs) önemli bir rol oynamaktadır. CLB’ler, FPGA’ların en temel teknolojik yönleri olan ve tüm FPGA’ların aynı kalan yapılandırılabilir kısımlarıdır.
CLB içinde çoğunlukla LUT’lar ve flip-flop’lar bulunmaktadır. Bu bloklar, birden fazla girişe sahip lojik fonksiyonlara ve bu fonksiyonların çıkışlarını depolayan temel devre elemanlarına sahiptir. IOB’lar ve BRAM'ler ise diğer önemli yapılandırılabilir mantık bloklarıdır. IOB'lar, FPGA'ların giriş çıkış arayüzlerini yönetmek için kullanılan yapılandırılabilir mantık bloklarıdır. BRAM'lar ise, FPGA'ların hızlandırılmış bellek erişimi sağlayan yapılandırılabilir blok bellekleridir.
IOB’lar (Input/output Blocks)
FPGA'lar, tasarlanan sistemlerin giriş çıkış arayüzlerini yönetmek için IOB olarak adlandırılan yapılandırılabilir mantık bloklarını kullanır. Bu bloklar, FPGA'nın çevre birimleri ile iletişimini ve kontrolünü yönetirler. IOB'lar, yüksek hızda seri ve paralel giriş çıkış işlemleri için idealdir ve aynı zamanda geleneksel FPGA tasarımlarında çıkış tamponları olarak kullanılabilirler. Signal integrity (sinyal bütünlüğü) için koruma sağlamak için IOB'lar, gürültü durumlarına ve güç dalgalanmalarına karşı koruma sağlayan entegre devreler içerirler. Bunun sonucunda, FPGA'nın diğer bölgelerine karşı direnç sağlanır ve güvenli bir dijital sinyal aktarımı sağlanır.
BRAM'ler (Block RAM)
BRAM'ler (Block RAM), FPGA mimarisi içinde yer alan ve bellek erişim işlevselliğini hızlandıran yapılandırılabilir blok belleklerdir. Bu bellekler, tüm FPGA'lar arasında aynı şekilde kalır ve her biri BELLEK_TOP adı verilen bir IP çekirdeği tarafından kontrol edilir. BRAM'ler, FPGA tasarımcıları tarafından özelleştirilebilir ve veri genişliği, derinliği ve depolama kapasitesi gibi özellikler ile programlanabilir.
BRAM, FPGA'nın genel bellek sistemi arasında bağlantı kurabilen ve yüksek hızlı arayüzler sağlayabilen bir blok bellektir. Bu bellekler, hızlı depolama ve yüksek erişim performansı için tasarlanmıştır. BRAM'lar yüksek bant genişliği ve düşük gecikme süreleri sağlar. FPGA'lar genellikle diğer bellek türleri ile karşılaştırıldığında BRAM'in kullanımı ile daha az yer kaplar ve daha fazla esneklik sağlar.
BRAM'ler, FPGA tasarımcıları tarafından yoğun bir şekilde kullanılır. Tasarımcılar, hesaplama gerektiren yüksek hızlı FPGA uygulamalarında BRAM'leri RAM olarak kullanarak performansı artırabilirler. Veriler hızlı ve etkili bir şekilde erişilebilir hale getirildiğinde, yüksek hızlı ve yüksek performanslı FPGA uygulamalarında daha etkili sonuçlar elde edilebilir.
Basit Tasarım Örneği
FPGA ile yapılabilecek basit bir tasarım örneği, bir 4-bit sayaç kullanarak oluşturulabilir. Bu tasarım, hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir ve FPGA'nın temel işlevlerini anlamak için bir mükemmel başlangıçtır.
Sayaç, bir devrenin veya bilgisayarın çalışması için gereken anahtar ögelerden biridir. 4-bit sayıcı, binary sistemde 0000'dan 1111'e kadar olan sayıları sayabilir. Bu tasarım, CLB'leri kullanarak gerçekleştirilir ve her bit, bir LUT ve flip-flop kullanarak oluşturulur. Sayacın çıkışı, LED veya diğer donanım bileşenleri ile bağlantılı olabilir. Ayrıca, sayaçtaki bit sayısını arttırarak veya azaltarak, farklı boyuttaki sayaçlar oluşturabilirsiniz.