FPGA

Prednášajúci: doc. Ing. Miloš Drutarovský, CSc., prof. Viktor Fischer

Cvičiaci: Ing. Martin Liptaj, doc. Ing. Miloš Drutarovský, CSc.

Anotácia predmetu (2/2s)

Predmet je zameraný na základné princípy, architektúry a typy programovateľných logických obvodov (PLO) používaných v moderných elektronických systémoch a vložených aplikáciách. PLO sú klasifikované z pohľadu zákazníckych ASIC (Application Specific Integrated Circuit) obvodov, ich historického vývoja a ekonomických aspektov. Hlavná pozornosť je venovaná obvodom CPLD (Complex Programmable Logic Devices) a užívateľsky konfigurovateľným obvodom FPGA (Field Programmable Gate Array). Ťažisko je kladené na ich základné štruktúry, vnútornú architektúru, vlastnosti, návrhové prostriedky, spôsoby konfigurácie a ochrany ich návrhu. Pozornosť je tiež venovaná metodike návrhu týchto obvodov, opisu v jazyku VHDL, simulácií a praktickému aspektom návrhu pomocou moderných CAD systémov (Mentor Graphics a Altera), ako aj možnosti využitia analógových rekonfigurovateľných obvodov FPAA (Field Programmable Analog Arrays). Uvedené aspekty sú praktický precvičované pomocou CPLD a FPGA obvodov a vývojových prostriedkov od firmy Altera. V závere sú analyzované vybrané aplikácie na báze FPGA obvodov v spotrebnej elektronike, telekomunikačných aplikáciách a autoelektronike.

Hlavné tématické okruhy:

Klasifikácia programovateľných logických obvodov (PLD) z pohľadu ASIC technológie
Ekonomické a technologické aspekty PLD
Historický vývoj (PAL, GAL, EPLD, CPLD, FPGA)
PROM, EPROM, EEPROM, SRAM, antifuse technológie
Opis obvodov v jazyku VHDL
Syntéza a funkčná simulácia, časová simulácia
Základná architektúra FPGA obvodov
Štruktúra bunky, vstupno-výstupné bloky
Hierarchické pamäťové bloky
Makrofunkcie a IP bloky
Bloky PLL a DLL, distribúcia hodinových signálov
Konfigurovanie obvodov FPGA, konfiguračné metódy
Ochrana FPGA návrhu pred kopírovaním
Technológia hraničných testov (JTAG)
Technologické trendy, poprední výrobcovia (Altera, Xilinx, Actel, ...)
Metodika špecifikácie a návrhu FPGA obvodov pomocou CAD systémov
CAD nástroje pre prácu s obvodmi FPGA (Mentor Graphics, Altera)
Konfigurovateľné ladiace nástroje
Typické aplikácie obvodov FPGA

Vybrané témy budú prakticky precvičované v laboratóriu KEMT V102b na Vysokoškolskej 4 s využitím CAD systémov firiem Altera a Mentor Graphics. Uvedené nástroje boli poskytnuté v rámci Univerzitného programu firmami Altera, Inc. a Mentor Graphics, Inc. V rámci cvičení bude využívané ako základ vývojové prostredie Quartus II firmy Altera, ktoré je možné voľne stiahnuť a používať v limitovanej tzv. Quartus II WEB verzii po bezplatnej registrácii. Informácie o cvičeniach, prednáškach a podmienkach udelenia zápočtu nájdete v dokumente PLO a PLO_zadania..

Podklady pre cvičenia:

fpga_cv1, fpga_cv2 (sup_cv2.zip), fpga_cv3 (sup_cv3.zip), fpga_cv4 (sup_cv4.zip), fpga_cv5 (sup_cv5.zip), fpga_cv6 (sup_cv6.zip), fpga_cv7 (sup_cv7.zip), fpga_cv8 (sup_cv8.zip), fpga_cv9 (sup_cv9.zip)

Základné vývojové prostriedky (pre každú dvojicu študentov):
KEMT CPLD_Kit (schéma, osadenie, cpld_cv2, cpld_cv3, cpld_cv4, cpld_cv5, cpld_cv6, cpld_cv7, cpld_cv8)- kit vznikol s podporou firmy Elcom Prešov
KEMT USB Blaster

Študentská verzia Modelsimu - obmedzená voľne použiteľna verzia

Špecializované vývojové prostriedky pre demonštráciu IP funkcií, syntetického procesora, ...
Altera Nios II Development Kit, Cyclone III Edition
Altera Nios II Development Kit, Cyclone II Edition
Altera DSP Development Kit, Stratix Edition
Altera UP1 board (UP2 board)
Altera UP3-1C6 board (Altera-SLS, ďalšie podklady)

Prednášky:

fpga_pr1, fpga_pr2beta, fpga_pr3beta, fpga_pr4beta, fpga_pr5, fpga_pr6, fpga_pr7, fpga_pr8, fpga_pr9, fpga_pr10, fpga_pr11, fpga_pr12, fpaa_pr13
VHDL Language - Introduction to the design and synthesis of digital systems - kompletné podklady k prednáškam prof. Fischera (týždne 10-12)

Zaujímavé linky:

Application-Specific Integrated Circuits book - el. verzia knihy
Zaujímavé QUARTUS II tutoriály - tutorial1, tutorial2, tutorial3
Altera Quartus II and VHDL návrhové príklady
Introduction to Quartus II manual - úvodný manuál k vývojovému prostrediu
Quartus II Development Software Handbook - detailná referenčná príručka
Altera LPM Quick Reference Guide - referenčná príručka parametrizovateľných modulov
FPGA and ASIC Design with VHDL at GMU - podklady ku kurzu na George Mason University
VHDL Language_Reference_Guide - referenčná príručka vo Windows help formáte
VHDL Synth - pravidlá pre písanie syntetizovateľného VHDL kódu
VHDL Language_Reference_Manual - norma IEEE Std 1076, 2000 Edition (pomerne nečitateľný dokument)
The VHDL Cookbook - jedna z klasických kníh (VHDL-87)
VHDL Tutorial: Learn by Example - súbor ukážkových príkladov
VHDL Open Cores - stránka so súborom projektov z oblasti DSP a telekomunikácií
8051 IP Core - VHDL kód syntetického procesora s jadrom 8051