قطعات قابل برنامه ریزی مانند؛CPLD ؛ROM ،PLA ،PAL ،PLD در میکرو _ نانو الکترونیک (مهندسی برق _الکترونیک)
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )
مقدمه ای درباره FPGA & CPLD
برای آنکه بتوان بخش بزرگی از یک طرح را داخل یک تراشه منتقل نمود و از زمان و هزینه مونتاژ و راه‌اندازی و نگهداری طرح کاست، ساخت تراشه‌های قابل برنامه ریزی مطرح شد از جمله مزایای استفاده از تراشه‌های قابل برنامه ریزی در طراحی پروژه‌ها عبارتند از :
– کاهش ابعاد و حجم
– کاهش زمان و هزینه طرح
– افزایش اطمینان از سیستم
– حفاظت از طرح
– حفاظت در برابر نویز و اغتشاش
FPGA ها ابزار سخت افزاری قابل برنامه ریزی ارزان قیمت را جایگزین کاربردهای فعلی کنترلرهای داخلی (Embedded Controllers) نموده‌اند. به همین دلیل بازار آنها رشد گسترده‌ای داشته است. علاوه بر این به جهت ارائه راه حل‌های مناسب برای IC های سفارشی با عملکرد بالا موفقیت زیادی به دست آورده‌اند. در واقع به نظر می‌رسد که FPGAها با توجه به ارزان بودن، نسل فعلی تراشه‌های ASIC را از رده خارج کنند. همین مزیت هزینه و عملکرد توجه زیادی را درحوزه تحقیقات به خود معطوف کرده است.
ویژگی استفاده از قطعات منطقی قابل برنامه ریزی (PLD) و FPGA، ارزان بودن قیمت و سرعت ورود آنها به بازار است.قطعات ASIC، هزینه‌های توسعه مهندسی غیر قابل برگشت بالاتری دارند و در نتیجه اغلب، قیمت این محصولات بالاتر است، اما اساساً کارایی بالاتری دارند. این شیوه‌های مختلف طراحی محیطهایی را با مجموعه‌ای از متدولوژی و ابزاهای مختلف CAD پدید می‌آورند.در طول یک دهه گذشته، انواع مختلفی از سخت افزارهای قابل برنامه ریزی به سرعت پیشرفت کرده‌اند. این قطعات نام‌های مختلفی دارند مثل سخت افزار قابل آرایش مجدد، سخت افزار قابل آرایش، سخت افزار قابل برنامه ریزی مجدد.ایده اصلی و زیر بنایی معماری FPGA و CPLD بسیار ساده است. به طوری کلی میتوان مدارهای ترکیبی و ترتیبی را مستقیماً روی بستر سیلیکون ایجاد کرد. تراشه‌های ASIC با اینکه کارایی بالایی دارند اما تنها می‌توانند یک نوع عملیات را انجام دهند.از آنجایی که امکان توزیع هزینه توسعه بین چند کاربر وجود ندارد، قیمت ASIC ها معمولاً بیش از سیستمهای مبتنی بر ریز پردازنده معمولی می‌شود.
تکنولوژی تراشه‌های قابل برنامه‌ریزی
قابلیت برنامه ریزی شدن مدارات مختلف و اتصالات متفاوت بر روی PLD به دلیل سوئیچهای قابل برنامه ریزی است که در این تراشه وجود دارد، این سوئیچ‌ها می‌بایست علاوه بر اشغال فضای بسیار کم دارای کمترین تأخیر زمانی باشند بطور کلی سوئیچهای قابل برنامه ریزی در PLD با استفاده از سه نوع تکنولوژی قابل پیاده سازی است.
۱-استفاده از Anti – Fuse
۲-استفاده از سلولهای حافظه موقت Sram
۳-استفاده از گیتهای شناور EEPROM یا EPROM
Anti – Fuse
خصوصیت اصلی Anti – Fuseها تنها یک بار قابلیت برنامه‌ریزی بودن، اشغال فضای کم و بالا بودن فرکانس کاری، به دلیل پایین بودن اثر مقاومتی و ظرفیت خازنی آنها است.عیب اصلی این روش نداشتن قابلیت برنامه ریزی مجدد است و زمانی که یک بار برنامه‌ریزی گردد دیگر به حالت اولیه برنمی‌گردد و مزیت اصلی آن فرکانس کاری بالا و اشغال فضای کم آن است این نوع PLDها نسبت به انواع دیگر PLDها نسبتاً گرانتر هستند.
SRAM
در روش SRAM از سلولهای حافظه به دو طریق استفاده می‌شود، در روش اول از یک سلول حافظه برای کنترل روشن یا خاموش شدن یک ترانزیستور استفاده می‌گردد که در این حالت خروجی سلول حافظه به بیس ترانزیستور یا گیت فت متصل می شود، با روشن یا خاموش شدن ترانزیستور یک مسیر وصل یا قطع می‌شود. در روش دوم سلول حافظه به ورودیهای انتخاب مالتی پلکسر وصل می‌شود. در این حالت با صفر یا یک شدن سلول حافظه مسیر خطوط عوض می‌شود، مهمترین عیب این روش پاک شدن برنامه ریزی با قطع تغذیه می‌باشد، تراشه‌هایی که با این روش برنامه ریزی می‌گردند، می‌بایست با استفاده از یک سیستم جانبی با هر بار وصل شدن تغذیه تراشه برنامه ریزی گردد، این روش نسبت به روش Anti – Fuse فضای بیشتری اشغال می‌کند و تأخیر زمانی نیز بیشتر است.
روش برنامه ریزی EEPROM یا EPROM
مهمترین مزیت این روش پاک نشدن برنامه ریزی با قطع برق مهمترین عیب آن اشغال فضای زیاد این نوع ساختار سوئیچ می‌باشد.
تقسیم بندی PLDها
PLDها شامل قطعات کم ظرفیت و پرظرفیت می‌باشند. PLDهای کم ظرفیت (ساده ) معمولاً کمتر از ۶۰۰ گیت قابل استفاده دارند و شامل محصولاتی چون PALها و GALها می‌شوند.
PLDهای ساده شامل سوئیچهای EEPROM یا EPROM و Anti – Fuse می‌باشند.
(High – Capacity – PLD) HCPLD بیشتر از ۶۰۰ گیت قابل استفاده دارند و شامل CPLD و FPGA می‌شوند.
FPGAها ساختمان اتصالات داخلی گسسته دارند، در حالیکه CPLDها دارای اتصالات داخلی پیوسته می‌باشند.
در ساخت HCPLD ها از تکنولوژی EEPROM , EPROM , Sram و Anti – Fuse استفاده شده است.
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید )