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るるみつくとの
5 years ago
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1 PLD と FPGA VLD 講習会京都大学小林和淑 1

2 PLD FPGA って何 PLD: Programmable Logic Device プログラム可能な論理素子 FPGA: Field Programmable Gate Array 野外でプログラム可能な門の隊列? Field: 設計現場 Gate Array: 論理ゲートをアレイ上に敷き詰めたLSI MPGA: Mask Programmable Gate Array» マスクでプログラムするゲートアレイ FPGA:» 設計現場でプログラムするゲートアレイ» 街中でプログラムするゲートアレイ 2

3 FPGA の現状 FPGAはLSIの大規模化に伴いその用途を広げてきた FPGAでメモリや高速乗算器まで実現できる FPGAの2 大ベンダのAltera, Xilinxの業績は好調飛ぶ鳥を落とす勢いシステムすべてがFPGAの上に載る時代がやってきた DVDや W-CDMA 端末がひとつのFPGAで 3

4 プログラマブルロジックデバイス (PLD) 設計者が自由にその機能を変更できる LSI の総称 ( 広義 ) MPD: マスクプログラマブル製造時に変更 FPD: フィールドプログラマブルその場で変更小規模 PLD の種類 PLA: Programmable Logic Array» AND-OR アレイ PAL: Programmable Array Logic»OR アレイが固定» 派生品として GAL, PLD( 製品名 ) FPGA PLA GAL PAL GA (MPGA) PLD PLD 4

5 PLD の構造 OR OR PAL OR AND AND DFF PLA, PAL GAL, PLD PLA, PALは組合せ論理回路のみ GAL, PLDは順序論理回路カウンタ制御回路等 5

6 PAL のプログラム例 AB+AC A B C 6

7 FPGA (Field Programmable Gate Array) フィールドプログラマブルな大規模集積回路ようは大規模な PLD 論理ゲートとフリップフロップをアレイ上に敷き詰めてその間の結線を自由に変更ただし論理ゲートそのものが内蔵されているとは限らないコンフィグレーションデータを書き込むことにより機能が変化する MPGA: Mask Programmable Gate Array 一般的にGA 7

8 FPGA の構造組み替え可能な論理ブロック論理ブロック間を接続する組み替え可能な配線 8

9 FPGA のプログラム記憶方式 FPGA の現在の構成 ( コンフィグレーション ) を覚えておく方法 SRAM 等の揮発性メモリに書き込む. もっともポピュラー特別なプロセスを必要としない EPROM, EEPROM 等の不揮発性メモリに書き込む. 電源を切っても消えない電圧をかけて, アンチヒューズを短絡させる. 書きこみは一度のみ 9

10 FPGA のプログラム方式 : SRAM WL BL BL To Switch SRAM ロジックと同じプロセスで製造できる冗長度が大きい 1SRAM セル : 6Tr さらにデコーダセンスアンプ等も必要電源を切ると消える ( 揮発性 ) 10

11 FPGA のプログラム方式 (2) 不揮発 Floating Gate EPROM,EEPROM IN 特殊なプロセスを要求冗長度は小さい 1Tr のみ OUT >100G A B A B open Apply 16V between A and B Antifuse 小さくて高速書き込みは一度だけ 11

12 SRAM 方式 FPGA の構造 FPGA: 変更可能な組合せ回路変更可能な配線組合せ論理回路の基本は LUT(Look-Up Table) 組合せ論理回路を 1 ビット SRAM の記憶内容で表現配線の変更はトランジスタによるスイッチ» スイッチの ON, OFF の情報も SRAM に格納 12

13 LUT(Look-up Table) SRAM 型 FPGA の可変論理を実現する A, B, C, D の 4 ビット入力をワード線とした 1 ビットの SRAM 入力数が増えるとSRAMが大きくなる小さいと効率が悪い SRAM の中身を書き換えることで任意の論理を実現 (A B)&(C D) に対する LUT 真理値表をそのまま表現すればよい A B C D

14 可変配線 : スイッチマトリックス SRAM 型 FPGA の可変配線を実現任意の接続が可能 14

15 XILINX XC シリーズの構造 A CLB CLB CLB B C (LUT) (SRAM) FF CLB CLB CLB CLB CLB CLB D CLB CLB CLB CLB CLB: Configurable Logic Block 15

16 ALTERA FLEX の構造 (CPLD 構造 ) (LE) A B C D LAB (LAB LE) LUT FF (LE) LAB (LAB) ( 1) 16

17 FPGA の特性分類 SRAM EPROM EEPROM SRAM 型の FPGA は最新のプロセス技術によりスピード面での欠点は解消されている最新のものは 0.15µm 銅配線プロセスを用いている 17

18 FPGA ベンダ FPGA の 2 大ベンダは XILINX と ALTERA 2 社で世界の 5 割から 6 割その他のベンダ Actel: antifuse 型, Mars Path-Finder に搭載 Lucent: PCIやATMコントローラを内蔵したFPGA Philips, Lattice: CPLD (Complex PLD) 18

19 XILINX の製品マップ CPLD XC9500 Flash MC (Glue Logic ) XCR3000 EEPROM MC FPGA XC4000 SRAM 13k 85k 3.3V SPARTAN SRAM 5k 200k ASIC VIRTEX SRAM 50k-10M FPGA, FPGA VIRTEXII SRAM? CPU 19

20 ALTERA の製品マップ MAX EEPROM MC ACEX SRAM 10k-100k FLEX SRAM 10k-250k APEX SRAM 30k-1500k SOPC(System on a Programmable Chip) Excalibur SRAM 100k-100k CPU 20

21 FPGA の製品展開 SRAM 型 FPGA は LUT で実現する組合せ論理回路だけでなくメモリまで内蔵するメモリは RAM, ROM, CAM(Content Addressable Memory), FIFO, 乗算器等に使用できるさらに CPU コアを内蔵 LSI の製造プロセス微細化のおかげでチップ全体の 1/10 程度で ARM, MIPS 等の 32bit プロセッサが集積可能詳しくは来週 21

22 FPGA 内のメモリ FLEX 10K の内蔵メモリ (Embedded Array Block) 大規模 SRAMに付加回路通常のLUTでは実現不可能な論理を実現同期 SRAM, 非同期 SRAM, FIFO, デュアルポートRAM, CAM 大規模なLUTとしても利用可乗算器 : 9ビット入力 (5bit 4bit), 9ビット出力デバイスとメモリ容量 ( 別添資料 ) 22

23 FPGA のメリットデメリットメリット設計の TAT(Turn-Around Time) が短い論理設計とタイミングの検証のみで動作する. ( 物理設計がいらない ) 少数の製品に使用できる IP(Intellectual Property) が豊富デメリットスピードが遅いチップ面積が大きい量産時のコストが高い» 同じ設計データを用いて安く量産できるサービスもある (Hardcopy by ALTERA) 23

24 FPGA の設計法 A B nand2 C HDL module nand_g(c,a,b); input A,B; output C; assign C=~(A&B); endmodule 通常の LSI と同じ設計手法を取る LUT を直接設計するわけではない FPGA の配置配線は各 FPGA ベンダ配布のツールにより行う module nand_g(c,a,b); input A,B;output C; nand2 I0(C,A,B); endmodule LE LSI CAD FPGA FPGA 24

25 CAD FPGA ベンダのツール CAD FPGA Compiler II Synopsys spectrum Exemplar Synplify Synplicity Synopsys(Viewlogic) WorkView Office FPGA MAX+plus II Quartus, ALTERA Alliance, XILINX DeskTop Actel FPGA Compiler IIはVDECのライセンスで利用可能各社 FPGAの無償ツールあり大学向けのプログラムもあり See ベンダ名.com/ 25

26 FPGA 設計 ( デモ ) Verilog-HDL から FPGA まで FPGA EXPRESS RTL circuit.edf circuit.acf RTL MAXPLUS2 FPGA circuit.acf circuit.sof, ttf, pof SRAM FPGA 搭載ボード Power Medusa EA-10 26

HDL から回路図へ ( 論理合成 ) module calc(decimal,plus,minus,equal,clk,rst,ce,sign,overflow,out); module calc(decimal,plus,minus,equal,clk,rst,ce,sign,overflow,out); input [9:0] decimal; input [9:0] decimal;

27 HDL から回路図へ ( 論理合成 ) module calc(decimal,plus,minus,equal,clk,rst,ce,sign,overflow,out); module calc(decimal,plus,minus,equal,clk,rst,ce,sign,overflow,out); input [9:0] decimal; input [9:0] decimal; input CLK,CE,RST,plus,minus,equal; input CLK,CE,RST,plus,minus,equal; output sign,overflow; output sign,overflow; output [6:0] out; output [6:0] out; wire [3:0] d; wire [3:0] d; wire [8:0] alu_out; wire [8:0] alu_out; reg [1:0] state; reg [1:0] state; reg [8:0] REGA, REGB; reg [8:0] REGA, REGB; reg [1:0] count; reg [1:0] count; reg add_or_sub; reg add_or_sub; assign d=dectobin(decimal); assign d=dectobin(decimal); CLK or negedge RST) CLK or negedge RST) begin begin if(!rst) if(!rst) begin begin REGA<=0;REGB<=0;count<=0; REGA<=0;REGB<=0;count<=0; add_or_sub<=0; add_or_sub<=0; state<=`decimal; state<=`decimal; end end else else HDL ソース ( 一部 ) 回路図 27

28 FPGA 搭載ボード FPGA 単体を買ってきても何もできないので FPGA を搭載したボードが多数販売されている三菱電機マイコン機器ソフトウエア Power Medusa CQ 出版 Flex10KE 評価キット 28

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PLDとFPGA PLDFPGA 2002/12 PLDFPGA PLD:Programmable Logic Device FPGA:Field Programmable Gate Array Field: Gate Array: LSI MPGA:Mask Programmable Gate Array» FPGA:»» 2 FPGA FPGALSI FPGA FPGA Altera, Xilinx FPGA DVD