Einführung zu FPGAs

Definition und Grundlagen

• FPGA steht für Field Programmable Gate Array.
  • Field Programmable: Konfiguration der Logik kann jederzeit geändert werden.
  • Gate Array: Anordnung digitaler Schaltungen, die flexibel konfiguriert werden können.
• Implementiert digitale Logik im Gegensatz zu anderen ICs (Integrierte Schaltungen).
• Zum Kaufzeitpunkt ist die Funktion von FPGAs noch nicht bestimmt (macht erstmal nichts).
• Kann beliebig konfiguriert werden, z.B. wie ein Mikrocontroller.

Aufbau eines FPGAs

• Hauptbestandteile eines FPGAs:
  • IO-Pins (Input/Output-Pins): Schnittstellen für Ein- und Ausgänge.
  • CLB (Configurable Logic Blocks): Kernlogikeinheiten zur Realisierung logischer Verknüpfungen.
  • Routing-Ressourcen: Blaue Linien im Diagramm; große Schaltmatrix zur Verbindung von IO-Pins und CLBs.
• Beispiel einer einfachen kombinatorischen Schaltung im FPGA:
  • 4 Eingänge (A-D) und 1 Ausgang.
  • Besteht aus UND-, ODER-Gattern.
  • Entspricht einer Konfiguration über CLBs.

Funktionalität & Anwendung

• CLBs enthalten:
  • Flip-Flops für die Speicherung von Zuständen.
  • Spezielle Logik für arithmetische Operationen.
• Anzahl der CLBs reicht von einigen Tausend bis Hunderttausend.
• Typische Anwendung: Digitale Signalverarbeitung
  • Viele digitale Filter können in Hardware parallellisiert werden.

Vergleich: FPGA vs. ASIC

• FPGA:
  • Flexibel, da nachträglich konfigurierbar.
  • Designmethodik ähnlich wie ASIC.
  • Einschränkung: Nur Funktionen, die CLBs ermöglichen.
• ASIC (Application-Specific Integrated Circuit):
  • Einmaliges Design für spezifische Aufgaben.
  • Nicht nachträglich veränderbar.
  • Kann auch analoge Schaltungen umsetzen.

Typische Kennzahlen von FPGAs

• Anzahl der CLBs.
• Anzahl der IO-Pins.
• Erweiterte Logikressourcen (z.B. DSP-Blöcke für Digitale Signalverarbeitung).
• Maximale Taktfrequenz der Flip-Flops.
• Leistungsaufnahme.
• Konfigurationszeit (Speicherung der Konfiguration und Ladezeit nach Stromausfall).

Beschreibung von Schaltungen

• Nutzung von Hardware Description Languages (HDL):
  • VHDL (insbesondere in Europa verbreitet).
  • Verilog (eher in den USA verbreitet, zunehmend auch in Europa).
• Ähnlichkeit zu Programmiersprachen wie C++.
  • Konzeptionell erfordert FPGA-Programmierung eine andere Denkweise als klassische Softwareentwicklung.

Abschluss

• Grundlegende Einführung in FPGAs.
• Mögliche weiterführende Themen in zukünftigen Videos: spezifische Anwendungen, detaillierte Betrachtung von DSP-Blöcken, u.v.m.
• Einladung zur Diskussion und Feedback in den Kommentaren.