Généralités sur les FPGA

Concept sur FPGA

Définitions

Définition circuit intégré
Le circuit intégré , aussi appelé puce électronique, est un composant électronique reproduisant une, ou plusieurs, fonction électronique plus ou moins complexes, intégrant souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit (sur une petite plaque), rendant le circuit facile à mettre en œuvre.

Les différentes catégories de circuits intégrés
Il existe deux grandes catégories:
➤ le circuit intégré analogique
➤ le circuit intégré numérique

Les circuits intégrés analogiques les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté des autres sans liaison entre eux, jusqu’à des assemblages complexes pouvant réunir toutes les fonctions requises pour le fonctionnement d’un appareil dont il est le seul composant. Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette grande famille où l’on retrouve aussi des composants réservés à l’électronique haute fréquence et de télécommunication. De nombreuses applications analogiques sont à base d’ampli Op (amplificateur opérationnel).

Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (ET, OU et NON), les plus complexes sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques (ASIC), notamment pour le traitement du signal (traitement d’image, compression vidéo…) on parle alors de processeur de signal numérique (ou DSP pour Digital Signal Processor). Une famille importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable (FPGA, CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en raison de leur grande densité d’intégration.

Les différents types de circuits intégrés

Il existe trois grandes classes:
➤ les processeurs
➤ le circuit intégré spécifique à une application nommé ASIC
➤ les circuits programmables comme les FPGA

Les processeurs sont des circuits intégrés permettant d’implémenter n’importe quelle fonction en exécutant de manière séquentielle un code compilé.

Le grand avantage du processeur est sa généricité, puisque n’importe quel programme peut y être exécuté. De plus, sa réalisation est très facile.

Malheureusement, cette généricité s’accompagne d’un coût, à savoir le temps d’exécution d’une tâche. En effet, les instructions sont exécutées une à une (bien que certains processeurs présentent un certains parallélisme), l’opération nécessite au minimum trois pas de temps. Tandis qu’un système matériel, lui, peut effectuer cette opération en un seul pas. De plus, le processeur étant une unité chargée d’un calcul, une seule erreur compromet l’ensemble de son exécution à cause de l’exécution séquentielle. Les systèmes parallèles laissent, quant à eux, la porte ouverte à l’autoréparation, une unité pouvant potentiellement prendre la place d’une autre se trouvant dans un état défectueux. Les applications intrinsèquement parallèles, telles que les, réseaux de neurones ou les automates cellulaires sont donc exécutées de manière séquentielle par un processeur, alors qu’un système matériel a la possibilité d’exploiter tout le parallélisme possible. Les systèmes cellulaires, composés de plusieurs cellules effectuant des tâches en parallèle, sont donc bien plus efficacement réalisés en matériel qu’en logiciel.

Le circuit intégré spécifique à une application (ASIC) est une des manières de réaliser un système de calcul matériel. Pour chaque application, un circuit différent est crée, soit en le construisant entièrement, soit en configurant une grille d’éléments préconstruits.

L’avantage des ASIC sur les circuits reconfigurables, pour une même technologie, est leur rapidité, puisque les connexions sont créées physiquement plutôt que programmées. Toutefois, leur conception nécessite plus temps, étant donné qu’en tout cas une couche de métal, doit être apposée. De plus, plus ils ne sont en aucun cas programmables, et une erreurLe circuit programmable, est un assemblage d’opérateurs logiques, combinatoires et de bascules, dans lequel la fonction réalisée n’est pas fixée lors de la fabrication. Il contient potentiellement la possibilité de réaliser toute une classe de fonctions, plus ou moins large suivant son architecture. La programmation du circuit consiste à définir une fonction parmi toutes celles qui sont potentiellement réalisables. Comme dans toute réalisation en logique câblée, une fonction logique est définie par les interconnections entre des opérateurs combinatoires et des bascules, et par les équations des opérateurs combinatoires. Les bascules sont le plus souvent de simples bascules D, ou des bascules configurables en bascules D ou T. La réalisation d’opérateurs combinatoires utilise des opérateurs génériques. Par la suite, on va s’intéresser spécialement à ce circuit programmable dans le design implique un changement complet du circuit.

Définition FPGA

L’acronyme FPGA (Field Programmable Gate Array) désigne un circuit intégré logique en silicium composé d’un réseau de cellules programmables, c’est à dire peut être reprogrammé après sa fabrication. Chaque cellule est capable de réaliser une fonction choisie parmi plusieurs possibles. Les interconnexions sont également programmables. En terme plus élevé, c’est un composant, constitué d’un ensemble de ressources logiques élémentaires configurables pouvant être mises en relation par un réseau d’interconnexions également configurable. À l’aide de blocs logiques préconstruits et de ressources de routage programmables, ce circuit peut être configuré afin de mettre en œuvre des fonctionnalités matérielles personnalisées, sans avoir jamais besoin d’utiliser une maquette ou un fer à souder. La reconfiguration dynamique des FPGA consiste à changer la programmation de ces circuits logiques programmables alors qu’ils sont en activité. A noter qu’il serait impropre de parler de programmation au sens logiciel. Il suffit de développer des tâches de traitement numérique par logiciel et de les compiler sous forme de fichier de configuration ou de flux de bits contenant des informations sur la manière dont les composants doivent être reliés.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : GENERALITES SUR LES FPGA
1.1 Concept sur FPGA
1.1.1 Définitions
1.1.1.1 Définition circuit intégré
1.1.1.2 Définition FPGA
1.1.2 Historique
1.1.3 Utilisation des FPGA
1.1.3.1 Utilisations classiques des FPGA
1.1.3.2 Utilisations moderne des FPGA
1.1.4 Application du FPGA
1.1.4.1 Applications courantes des FPGA
1.1.4.2 Applications spécifiques des FPGA
1.1.5 Avantage et inconvénient de l’exploitation des FPGA
1.1.6 Caractéristiques du FPGA
1.1.6.1 Les principaux fabricants
1.1.6.2 Les différentes technologies utilisées pour les FPGA
1.1.6.3 Architecture interne du FGPA
1.1.6.4 Structure des FPGA
1.1.6.5 Description du FPGA à disposition
1.2 Outils de programmation sur FPGA
1.2.1 Logiciel de programmation QUARTUS II
1.2.1.1 Introduction
1.2.1.2 Création d’un projet
1.2.2 Logiciel de simulation QSIM
1.2.2.1 Introduction
1.2.2.2 Interface Utilisateur Graphique QSIM
1.2.2.3 Editeur de forme d’onde
1.2.3 Langage de description VHDL
1.2.3.1 Définition
1.2.3.2 Historique
1.2.3.3 Avantages et inconvénients
1.2.3.4 Composition d’un fichier VHDL
1.2.3.5 Concepts de base
1.2.3.6 Notions sur la syntaxe de VHDL
Chapitre 2 : APPLICATION DES OPERATEURS DE BASE
2.1 Les programmes utilisant les operateurs de base
2.2 Les programmes appliquant les operateurs de base
2.2.1 Fonctions de base
2.2.1.1 Fonctions asynchrones
2.2.1.2 Fonctions synchrones
2.2.2 Fonctions complexes
2.2.3 Fonction de division de fréquence
2.2.4 Application dans le domaine de l’électronique de puissance et de commande
Chapitre 3 : RESULTATS ET SIMULATION
3.1 Simulations et interprétations des résultats des programmes utilisant les opérateurs de base
3.2 Simulations et interprétations des résultats des programmes appliquant les opérateurs de base
3.2.1 Fonctions de base
3.2.1.1 Fonctions asynchrones
3.2.1.2 Fonctions synchrones
3.2.2 Fonctions complexes
3.2.3 Fonction de division de fréquence
3.2.4 Application dans le domaine de l’électronique de puissance et de commande
CONCLUSION GENERALE