フィールドプログラマブルゲートアレイはFPGAです。 これは、製造後にユーザーがカスタマイズおよびプログラムできる一種の集積回路 (IC) です。 FPGA は、特定の目的のために作成された特定用途向け集積回路 (ASIC) とは異なり、再プログラムして複数のアプリケーションや機能に合わせて調整することができます。

FPGA のプログラマブル ロジック ブロック、構成可能な入出力ブロック、およびプログラマブル配線リソースを使用して、カスタム デジタル回路を構築できます。 これらのガジェットは、コンピューター ネットワーク、ビデオと画像の処理、航空宇宙、防衛に役立つことがよくあります。

FPGA には、市場投入までの時間の短縮、開発コストの削減、柔軟性の向上など、従来の ASIC に比べていくつかの利点があります。 さらに、コストと時間のかかる専門の ASIC 設計チームの必要性がなくなり、設計者が独自のロジック機能を統合できるようになります。

使い方

ほとんどの FPGA コンポーネントは、入出力ブロック (IOB)、プログラマブル配線リソース、および構成可能ロジック ブロック (CLB) で構成されます。 これらのコンポーネントはすべて、プログラム可能な相互接続構造を介して接続されています。 結合すると、この構成可能なブロックとリソースのセットを使用して、任意のオーダーメイドのデジタル論理関数を実装できます。

コンフィギュレーションと動作は、FPGA の基本的な動作における 2 つの主要なプロセスです。

構成: FPGA は元々空であるため、目的のロジック アーキテクチャでセットアップする必要があります。 通常、VHDL や Verilog などのハードウェア記述言語 (HDL) が理想的です。 次に、HDL コードから作成されたコンフィギュレーション ビットストリームが合成、コンパイルされて、FPGA の不揮発性コンフィギュレーション メモリに配置されます。

動作: FPGA は、一度構成すると、他のデジタル回路と同様に役立ちます。 CLB のユーザー定義ロジック関数は、入力信号が IOB およびプログラマブル インターフェイスを介してデバイスにルーティングされると、その信号を処理します。 接続と IOB は、出力信号を外部デバイスに返すのに役立ちます。

従来のハードウェアとの比較

従来のハードウェア設計と比較して、FPGA には次のようないくつかの利点があります。

• 柔軟性: FPGA は非常に適応性が高く、さまざまなジョブに合わせてプログラムできます。 その結果、単一の FPGA が複数のアプリケーションに役立つため、必要なハードウェア設計が少なくなります。
  価格: 一般に、FPGA は、特に低生産量から中規模の製造量の場合、従来のハードウェア設計よりも安価です。 結局のところ、FPGA はさまざまなジョブを実行するためにプログラムおよび再プログラムすることができます。
• 製品化までの時間: 従来のハードウェア設計と比較して、FPGA は大幅に迅速にプログラムおよびテストできます。 これは、新商品をより迅速に市場に導入できることを意味し、これは家電などの分野では非常に重要です。
• パフォーマンス: 高度な論理機能を必要とするアプリケーションの場合、FPGA は従来のハードウェア アーキテクチャよりも優れたパフォーマンスを発揮します。 これは FPGA の柔軟性によるもので、FPGA は必要に応じて変更され、特定のジョブを実行するために最適化されます。
• 電力使用量: FPGA は、従来のハードウェア レイアウトよりも少ない電力を使用できます。 これは、FPGA がリソースの無駄を最小限に抑えて指定されたジョブを実行できるようにするためです。

ただし、FPGA の使用には次のような欠点があります。

• 複雑さ: 従来のハードウェア設計と比較して、FPGA は設計とプログラミングがより困難になる可能性があります。 FPGA には、ハードウェア記述言語と特殊なプログラミングおよびテスト ツールに関する専門知識が必要です。
• 価格: FPGA は、小規模から中規模の生産レベルでは従来のハードウェア設計よりも安価であるにもかかわらず、大量生産では高価になる可能性があります。 これは、FPGA に必要な独特の製造手順によるものです。
• リソースが限られている: FPGA には、一定量の CLB、IOB、および配線リソースしかありません。 これは、大規模で複雑な設計には追加の FPGA が必要となり、コストが上昇する可能性があることを示しています。
• レイテンシ: 従来のハードウェア設計と比較して、FPGA はレイテンシの増加に寄与する可能性があります。 FPGA を使用する前のセットアップとプログラミングにはさらに時間がかかります。

格子FPGA

Lattice Field-Programmable Gate Array (FPGA) は、さまざまなタスク用にセットアップできる再構成可能なプログラマブル ロジック デバイスの一種です。 たとえば、電気通信、自動車、産業用制御、医療、軍事などのいくつかの業界で使用されています。

Lattice FPGA は低消費電力という点で独特であり、消費電力が重要な状況に最適です。 また、フォームファクタが小さいため、スペースが限られたアプリケーションでの使用にも適しています。

Verilog や VHDL などのハードウェア記述言語 (HDL) は、Lattice FPGA をプログラムできます。 Lattice FPGA デザインは、Lattice Diamond ソフトウェア スイートを使用して作成、シミュレーション、実装されます。 このソフトウェア パッケージは、デザインを入力するための GUI、デザインをネットリストに変換するためのコンパイラー、およびデザインを FPGA に配置するための配置配線ツールで構成されます。

Lattice FPGA の組み込み知的財産 (IP) ブロックには、メモリ コントローラ、高速トランシーバ、DSP ブロックなどが含まれます。 これらの IP 構築要素を設計に組み込んで生産を簡素化できます。

格子 FPGA にはいくつかのファミリーが存在し、それぞれが独特の機能と能力を備えています。 Lattice FPGA の ECP5、MachXO3、および CrossLink-NX ファミリは、人気のあるいくつかのファミリです。

格子FPGAアーキテクチャ

 

グローバル ルーティング ネットワークは、格子 FPGA (GRN) に見られる階層内のプログラマブル ロジック ブロック (PLB) をリンクします。 各 PLB は、行と列に配置されたフリップフロップとカスタマイズ可能なロジック ブロック (CLB) で構成されます。 FPGA の基本コンポーネントである CLB によってデザインのブール論理関数を実装します。 フリップフロップはデータの同期と保存に役立ちます。

ルックアップテーブルとマルチプレクサ

ルックアップ テーブル (LUT) とマルチプレクサは CLB (MUX) を構成します。 ブール関数の真理値表は、プログラム可能なメモリである LUT にあります。 MUX を使用して、LUT の出力または次の CLB からの入力を選択します。 キャリー チェーンは、加算および減算を迅速に行うための CLB のもう 1 つの機能です。

GRN

信号は GRN によって PLB 間でルーティングされる必要があります。 CLB の入力と出力は、GRN として知られる水平および垂直ワイヤのシステムによって接続されます。 さらに、GRN にはプログラム可能なスイッチがあり、設計者はこれを使用して任意のパターンで PLB をリンクできます。

専用リソース

さらに、格子 FPGA の特殊なリソースを使用してメモリと算術演算を実装できます。 具体的には、RAM、ROM、DSP 機能を実装するための設計ブロックがこれらのリソースに含まれます。 さらに、RAM ブロックをシングルポートまたはデュアルポートメモリとして配置することも可能です。 さらに、ROM ブロックをセットアップすることもできます。 最後に、加算、減算、乗算、除算などの算術演算の実装が DSP ブロック用に最適化されます。

クロック管理リソース

さらに、クロック管理リソースは格子 FPGA によって提供され、設計者がシステム全体にクロックを生成して配布できるようになります。 これらのツールには、遅延ロック ループ (DLL) とプログラマブル フェーズ ロック ループ (PLL) が含まれており、さまざまな周波数と位相のクロックを生成できます。 クロック信号がデザインのさまざまなコンポーネントに同時に到達することを保証するために、PLL と DLL はクロック スキュー管理にも役立ちます。

高速シリアルインターフェース

さらに、Lattice FPGA には、USB、ギガビット イーサネット、PCI Express などの高速シリアル インターフェイスを実装するためのリソースが確保されています。 さらに、物理層 (PHY) 回路、シリアライザー、およびデシリアライズは、インターフェイスの電気的および低レベルの信号要件を実装するリソースです。

コンフィギュレーションメモリ

Lattice FPGA にはさらに、構成データと設計データを格納する構成メモリがあります。 JTAG、SPI、個別のコンフィギュレーション バスなど、多くの手法でコンフィギュレーション メモリをプログラムできます。 さらに、FPGA の部分的な再コンフィギュレーションを可能にするコンフィギュレーション メモリ機能のおかげで、デザインの残りの部分に影響を与えることなく FPGA の一部を変更できます。

電源管理リソース

Lattice FPGA は、設計者がデザインの電力使用量を削減するために使用できるいくつかの電源管理機能も提供します。 これらの機能には、FPGA を使用していないときに低電力状態にできる低電力モードや、不要なデザイン コンポーネントをオフにして電力消費を節約できる動的電力管理が含まれます。

プログラミング格子FPGA

FPGA は、特定の機能を実行したり、デジタル回路を作成したりするためのプログラム可能なデバイスです。 FPGA は、プログラマブル ルーティング リソースと結合されたプログラマブル ロジック セルのグリッドで構成されます。 トップクラスの FPGA メーカーの 1 つである Lattice Semiconductor は、さまざまな目的に合わせた幅広いデバイスを提供しています。

開発環境のセットアップ

Lattice FPGA 開発環境は、いくつかの異なる方法でセットアップする必要があります。 概要は次のとおりです。

Lattice Diamond ソフトウェアのインストール: Lattice デバイスを使用したほとんどの FPGA 開発では、このソフトウェアが使用されます。 Lattice SemiconductorのWebサイトからダウンロードした後、インストールウィザードに従ってください。

Lattice プログラミング用のケーブルをセットアップする: Lattice FPGA の種類に応じて、特定のプログラミング接続を追加する必要がある場合があります。 Lattice Semiconductor の Web サイトには、ドライバとインストール手順が記載されています。

FPGA ボードを準備します。USB または別の互換性のあるインターフェイスを使用して、FPGA ボードを PC に接続します。 電源が入っていて正しく接続されていることを確認するには、製造元の指示に従ってください。

新しい取り組みを行う: Lattice Diamond ソフトウェアで新しいプロジェクトを開きます。 互換性のあるデバイスのリストから FPGA デバイスを選択し、必要に応じてプロジェクト設定を調整します。

ここに VHDL または Verilog コードを入力します。 Lattice Diamond プログラムを使用して、Verilog または VHDL でコードを記述します。 これらは FPGA の 2 つの主要なプログラミング言語です。

設計のモデルを作成する: FPGA 用に設計を合成する前に、Lattice Diamond のシミュレーション ツールを使用してテストします。

Lattice Diamond 合成ツールを使用してデザインを合成することにより、FPGA に配置できるバイナリ ファイルを作成します。

FPGA の構成: 前の手順で生成されたバイナリ ファイルは、Lattice Diamond に含まれる Lattice プログラミング ツールを使用して FPGA をプログラムするために使用する必要があります。

これらの手順を完了すると、Lattice FPGA 開発環境は完全に動作できるようになります。

新しいプロジェクトの作成

Lattice Diamond での新しいプロジェクトの作成は、Lattice FPGA プログラミングの最初のステップです。 プロジェクトはデザイン ファイルと構成情報の集合であり、FPGA デザインを定義します。 Lattice Diamond で file ~、New ~、Project の順に移動し、目的の FPGA ボードに対応するデバイス ファミリとタイプを選択して、新しいプロジェクトを開始します。 次に、プロジェクトの名前と場所を選択してから、「OK」をクリックします。

デザインファイルをプロジェクトに追加する

プロジェクトを作成したら、デザイン ファイルを追加する必要があります。 これは、FPGA デザインのソース コードが Verilog や VHDL などのハードウェア記述言語 (HDL) で記述されたデザイン ファイル内にあるためです。 Lattice Diamond のプロジェクト ナビゲータでプロジェクト名を右クリックし、コンテキスト メニューから [ソースの追加] を選択すると、プロジェクトに設計ファイルを追加できます。

デザイン ファイルの作成には、Xilinx Vivado や Quartus Prime などのテキスト エディターや統合開発環境 (IDE) を使用できます。 ただし、FPGA デザインの動作と機能は、他のモジュールまたはコンポーネントをインスタンス化する最上位モジュールに依存します。

デザインを合成する

デザイン ファイルをプロジェクトに追加した後、デザインを結合する必要があります。 論理ゲートとフリップフロップの観点から FPGA アーキテクチャを図示したネットリストは、HDL コードをネットリストに変換する合成によって作成されます。 合成には、Lattice Diamond の一部である Lattice Synthesis Engine (LSE) が使用されます。

Lattice Diamond の Process メニューから Synthesize Design を選択して、デザインを合成します。 次に、LSE ツールが起動して HDL コードを分析し、ネットリストを生成します。 設計のニーズに応じて、LSE ツールは、最適化レベル、テクノロジー マッピング、クロック ドメイン解析などのさまざまな合成オプションを提供します。

デザインの実装

設計を合成する際には、それを実行する必要があります。 要求された機能の実装には、FPGA アーキテクチャへのネットリストのマッピング、プログラマブル ロジック セルの構成、およびリソースの割り当てが含まれます。 Lattice Diamond 配置配線 (P&R) ツールは実装に役立ち、ネットリストを FPGA デザインにマッピングしてビットストリーム ファイルを作成します。

Lattice Diamond の Process メニューで Implement Design を選択して設計を実装します。 次に、配置配線 (P&R) ツールが起動し、ネットリストを FPGA アーキテクチャにマッピングし、ビットストリーム ファイルを作成します。

P&R ツールは、配置、配線、時間分析などのいくつかの操作を実行します。 FPGA 上の各論理セルの物理的な位置は、配置によって異なります。 ルーティングには、ネットリストに従って論理セルを接続するための相互接続リソースの構成が必要です。 最後に、タイミング解析を実行することで、デザインが HDL コードのタイミング仕様に準拠していることを確認できます。

実装時には、設計仕様に基づいて実装設定を正しく設定することが重要です。 これには、適切な FPGA ファミリとデバイスを選択し、I/O 制限を確立し、タイミングと電力パラメータを定義することが必要になります。

実装が完了すると、P&R ツールは FPGA 構成情報を含むビットストリーム ファイルを作成します。 次に、Diamond Programmer ツールはビットストリーム ファイルを FPGA にダウンロードできます。

FPGAのプログラミング

ビットストリーム ファイルの準備ができたら、それをターゲット FPGA ボードにダウンロードして、FPGA のプログラミングを開始できます。 JTAG、SPI、フラッシュ プログラミングなどのさまざまなプログラミング モードをサポートする Diamond Programmer ツールを使用すると、これを実現できます。

USB ケーブルを介してターゲット FPGA ボードをコンピュータに接続し、Diamond Programmer ツールを起動して FPGA をプログラムします。 まず、プログラミング モードを選択し、次にターゲット FPGA ボードに一致するプログラミング パラメータを選択します。 ビットストリーム ファイルを選択してプログラムをクリックすると、ビットストリーム ファイルが FPGA にダウンロードされます。

プログラミング後、FPGA は HDL コードで提供される必要な機能を実行します。 FPGA は必要に応じて何度でも再プログラムできるため、迅速にプロトタイプを作成して FPGA 設計を開発できます。

デザインのデバッグ

FPGA 設計には、設計上の欠陥を見つけて修正できるため、デバッグを含める必要があります。 Lattice Diamond は、シミュレーション、タイミング解析、波形視覚化など、FPGA デザインをデバッグするためのツールをいくつか提供しています。

シミュレーションでは、ModelSim や Aldec Active-HDL などのシミュレーター ツールを使用して HDL コードをシミュレートします。 FPGA をプログラミングする前に、シミュレーションを使用してデザインの機能を評価し、HDL コード内の問題やエラーを見つけることができます。

タイミング解析では、デザインのタイミング性能を検査して、HDL コードに記述されているタイミング仕様に準拠していることを確認します。 Lattice Diamond は、デザインのタイミング性能を検査し、タイミングの不正確さを特定できるタイミング アナライザー ツールを提供します。

波形の監視には、Lattice Reveal などの波形ビューア ツールを利用して、デザイン内の信号とデータ フローを監視することが必要です。 波形を検査することで、デザインがどのように動作するかを確認し、HDL コードの問題やエラーを特定できます。

応用

Lattice FPGAの産業応用

ラティス FPGA は、さまざまな分野のいくつかの産業アプリケーションに役立ちます。 たとえば、格子 FPGA は、次のような産業用途に不可欠であることがよくあります。

産業自動化：

Lattice FPGA は、産業オートメーションでロボットの操作、生産プロセスの監視と管理、マシン ビジョン システムのセットアップなどに使用されます。 FPGA はリアルタイム処理機能を提供するため、高速データ処理と最小限の遅延を備えた産業オートメーション アプリケーションに最適です。

コミュニケーション:

高速データ転送、信号処理、プロトコル変換を実現するために、通信システムは格子 FPGA を利用します。 さらに、FPGA はケーブル、光、および無線通信システムでパフォーマンスを向上させ、遅延を減らすために採用されています。

テストと測定:

オシロスコープ、シグナル・アナライザ、ネットワーク・アナライザなどのテストおよび測定デバイスには、格子 FPGA が適しています。 FPGA は高速かつリアルタイムでデータを処理できるため、高精度と低遅延が必要なテストおよび測定アプリケーションに最適です。

エネルギー：

エネルギー アプリケーションには、エネルギー分配ネットワークの監視と制御、エネルギー管理システムの実装、および発電システムの制御が含まれます。 FPGA は高いパフォーマンスと低い消費電力の比率を備えているため、エネルギー効率の高いシステムの構築に最適です。

医学：

Lattice FPGA は、医療アプリケーションで医療画像データの解釈、バイタルサインの監視、医療機器の制御に役立ちます。 FPGA は、その高性能と低消費電力により、リアルタイム処理と低エネルギー使用量を必要とする医療アプリケーションに最適です。

航空宇宙と防衛:

Lattice FPGA は、レーダー、ミサイル誘導、アビオニクス システムの管理など、航空宇宙および防衛アプリケーションのさまざまな機能に役立ちます。 FPGA は、高い信頼性と耐放射線性を備えているため、過酷な環境での堅牢性と耐久性が求められる航空宇宙および防衛アプリケーションに最適です。

Lattice FPGAの車載応用

自動車分野では格子 FPGA が数多く使用されています。 たとえば、格子 FPGA は、次のような自動車アプリケーションに不可欠であることがよくあります。

先進運転支援システム (ADAS):

物体識別、車線逸脱警告、衝突回避などの目的で、格子 FPGA が ADAS に役立ちます。 さらに、FPGA はリアルタイム処理機能を備えているため、高速データ処理と最小限の遅延を必要とする ADAS アプリケーションに最適です。

エンジン管理システム:

ラティス FPGA は、エンジン管理システムで点火、燃料噴射、およびエンジンのその他の側面を調整するのに役立ちます。 FPGA は、高性能で消費電力が低いため、複雑なエンジン制御システムの構築に最適です。

車載インフォテインメント システム:

Lattice FPGA は、車載エンターテイメント システムでオーディオ処理、ビデオ デコード、ユーザー インターフェイス制御を実行するのに役立ちます。 FPGA は優れたパフォーマンスと低消費電力を兼ね備えているため、現代の車両に最先端のインフォテインメント機能を組み込むには最適な選択肢です。

ヘッドアップ ディスプレイ (HUD):

HUD は格子 FPGA を使用して、速度、方向、安全警告などの重要な運転データをフロントガラスに投影します。 FPGA はリアルタイム処理と高解像度グラフィックス機能を提供するため、高度な HUD 機能の実装に最適です。

タイヤ空気圧監視システム (TPMS):

タイヤ空気圧を監視し、タイヤの故障の可能性を特定するために、TPMS は格子 FPGA を使用します。 FPGA はデータ処理速度が高く、消費電力が少ないため、車のバッテリーを消耗することなく常に動作する TPMS システムの構築に最適です。

アダプティブ ライティング システム:

アダプティブ ライティング システムは、格子 FPGA を使用して、速度、天候、道路の種類に応じてヘッドライトを変更します。 FPGA はリアルタイム処理機能を備えているため、ドライバーの安全性と視認性を向上させる高度な照明制御システムの構築に最適です。

車車間 (V2V) および車車間 (V2I) 通信:

V2V および V2I 通信システムで格子 FPGA を使用すると、車車間通信および車車間通信が可能になります。 さらに、FPGA は高速データ処理と低遅延を実現するため、交通の安全性と効率性を高めるリアルタイム通信システムの構築に最適です。

家庭用電化製品アプリケーション

Lattice FPGA は、優れた性能、低消費電力、柔軟性により、さまざまな家庭用電化製品アプリケーションで役立ちます。 たとえば、格子 FPGA は、次の家電アプリケーションでよく役立ちます。

モバイルデバイス：

モバイル デバイスは、格子 FPGA を使用してオーディオとビデオを処理し、バッテリーを管理し、センサー データを処理します。 FPGA は優れたパフォーマンスと低消費電力を兼ね備えているため、バッテリ寿命を維持しながらモバイル デバイスに高度な機能を組み込むのに最適です。

ゲーム:

ゲーム アプリケーションでのオーディオおよびビデオの処理、ユーザー インターフェイスの制御、画像の識別などのアクティビティには、格子 FPGA が役立ちます。 FPGA はリアルタイムの高速データ処理機能を提供するため、洗練されたゲーム機能を統合し、ユーザー エクスペリエンスを向上させるのに最適です。

仮想現実と拡張現実:

仮想現実および拡張現実システムでは、格子 FPGA は画像およびビデオ処理、センサー データ処理、ユーザー インターフェイス制御などの操作に役立ちます。 さらに、FPGA は高性能で遅延が少ないため、リアルタイムの仮想現実機能と拡張現実機能を統合するのに最適です。

オーディオとビデオの処理:

サウンドバー、スマート スピーカー、ビデオ ストリーミング デバイスなどのオーディオおよびビデオ処理用のアプリケーションは、格子 FPGA を利用します。 FPGA は優れたパフォーマンス機能と低消費電力を備えているため、エネルギー使用量を削減しながら高度なオーディオおよびビデオ処理機能を統合するのに最適です。

ロボット工学とドローン:

ロボット工学およびドローン アプリケーションは、センサー データの処理、ナビゲーション、および制御に格子 FPGA を使用します。 FPGA は驚異的なパフォーマンス能力を備え、消費電力が少ないため、複雑なロボット システムやドローン システムの作成に最適です。

ホームオートメーション：

ホーム オートメーション用のアプリケーションは、格子 FPGA を使用してセンサー データを解釈し、接続されたデバイスを管理し、音声アシスタントを開発します。 FPGA は、優れたパフォーマンス機能と低消費電力により、電力効率の高いホーム オートメーション システムを構築するのに最適な選択肢です。

ウェアラブルデバイス:

ウェアラブル技術では、格子 FPGA はバッテリー管理、ユーザー インターフェイス制御、センサー データ処理に適しています。 さらに、FPGA は優れたパフォーマンス能力を備え、消費電力が少ないため、長時間連続稼働できるウェアラブル テクノロジの構築に最適です。