FPGA Nedir ? Çalışma Prensibi Nedir ? Mikroişlemciden Farkları Nelerdir ? Avantajları Nelerdir ?

Son teknoloji geliştirme kartları olan FPGA, paralel çalışma kabiliyetine sahip olmaktadır. Alanda programlanabilir kapı dizileri anlamına gelen fpga donanım devresi işlevi görmektedir. Kullanıcılar bir veya birden fazla mantıksal işlemi gerçekleştirmek için fpga kullanmaktadır. Tasarımcılar üretim süreci tamamlandıktan sonra programlama aşamasına geçmektedir.  Programlanabilir mantık kapıları, belek ve diğer ögelerden oluşmaktadır. En önemli ve ayırt edici özellikleri paralel işlem yapabilme kabiliyeti olan fpga çok yönlü olarak kullanılmaktadır. Mikrodenetleyiciler gittikçe güçlendikçe, tasarım zorluklarına alternatif çözüm getirilmeye çalışılmaktadır. 1980 yılından beri pazar payında yerini alan fpga yapıları itibari ile çok göz önünde bulunmamaktadır. Fakat kullanım alanlarının çok fazla olmasından dolayı tercih edilmektedir.

FPGA Nedir ?

Alanda programlanabilir kapı dizileri olarak tanımlanan fpga üç ana bölümden oluşmaktadır. Üç ana bölüm arasında giriş-çıkış blokları ve ana bağlantılar yer almaktadır. Programlanabilir kapı dizileri, ara bağlantılar içerisinde gömülü şekilde bulunmaktadır. Tasarım sırasında kullanıcıya esneklik sunmasının yanında son derece düşük maliyetli olmaktadır.

 Sayısal işaret işleme, tıbbi görüntüleme, savunma ve otomotiv, fpga kullanılan alanlar arasında yer almaktadır. Ortak işlevleri yerine getiren fpga çok yüksek düzeyde esneklik sunmaktadır. Tasarımcı tarafından oluşturulan mantık devresi sabit olarak oluşturulduğundan, üretim sonrası değişim mümkün olmamaktadır.

 Fakat fpga üretim sürecinden sonra bile kullanıcıların isteğine bağlı olarak tekrar programlanabilmektedir. Tasarımdaki değişikliklere uyum sağlayan alanda programlanabilir kapı dizileri, parçanın ömrü boyunca yeni bir uygulamayı destekleyebilmektedir.

FPGA Çalışma Prensibi Nedir ?

Temel olarak veri giriş ve çıkış prensibiyle çalışan fpga giren veriyi işlerken ihtiyaç duyulan yapıda çıkmaktadır. Alanda programlanabilir kapı dizilerinin 30 bit veri işlenmesi isteniyorsa, bu işlem emri üzerinden yeniden programlama yapılmaktadır. Yalnızca istenilen kadar çalışan devre, güçlü performans göstermektedir.

FPGA kimileri için karışık bir devre mantığı geldiğinden, nasıl programlanabileceğini bilmemektedir. Yazılım ve bilgisayar mühendisleri tarafından yapılan bu işlemler, oldukça hassas düzenlemeler gerektirmektedir.

Bu düzenlemeler arasında fpga devresine uygun diller ile yeniden programlama bulunmaktadır. Çoğu bilgisayarın standart bir donanıma sahip olduğu göz önüne alınırsa, fpga önemi anlaşılmaktadır.

FPGA’in Mikroişlemciden Farkları Nelerdir ?

FPGA ve mikroişlemci arasındaki en büyük fark, mikroişlemcinin kullanıcıların isteğine göre programlanamaması olmaktadır. Her kavşakta kullanıcıların yapabilecekleri ve bozabilecekleri anahtar, fpga devrelerinde yer almaktadır. Mikroişlemciler daha karmaşık bir yapıya sahip olmakla birlikte sabit talimatları bulunmaktadır.

Programı değiştirmeyi ve iyileştirmeyi amaçlayan alanda programlanabilir kapı dizileri, tek bir devre üzerinde küçük bir bilgisayar olmaktadır. Program hafızasının yanı sıra RAM içeren mikroişlemci, kullanıcı tarafından verilen belirli bir görevi veya uygulamayı yerine getirmektedir. Her ikisi de ikili verileri değiştirerek çalışsa da birbirlerinden son derece farklı olmaktadır.

Proje için gerekli olan programlamanın seçilmesi gerekmektedir. FPGA programlamak için yaygın olarak VHDL ve HDL dilleri kullanılırken, mikroişlemciyi programlamak için şirket tarafından sağlanan yazılım kullanılmaktadır.

FPGA Uygulama Alanları Nelerdir ?

Güçlü elektromanyetik radyasyon, yüksek titreşim ve diğer havacılık alanları

Trafik ışıkları

Yapay sinir ağları

Makine görüşü

Video gözetimi ve motor kontrolü

Endüstriyel ağ

İşitme cihazları

Tıbbi görüntüleme

Otonom sürüş gibi uygulamalar

İletişim kodlama Günümüzde üretmek istenilen entegreyi yüzlerce üretmek zorunda kalmadan deneme imkanı fpga ile sunulmaktadır. Kablolu veya kablosuz iletişimlerin yanı sıra ses alanında ve tüketici elektroniğinde FPGA kullanımı görülmektedir. Neredeyse bütün sektörlerde kullanıldığı gibi her alanda da FPGA’ya rastlamak mümkün olmaktadır. Yüksek teknoloji alanlarında FPGA’ya olan ihtiyaç her geçen gün artış göstermektedir.

FPGA Avantajları Nelerdir ?

Geliştirilmiş performansa sahip olan fpga maliyetleri azaltmaktadır. Esnek ve güvenilir olduğu gibi düşük bakım masrafı gerektirmektedir. Kullanım süresi son derece uzun olmakla birlikte kullanıcılar tarafından istenildiği zaman güncellenebilmektedir. En düşük gecikmeyi sağladığı için gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılmaktadır.

 Paralel veri işleme söz konusuysa, fpga önerilmektedir. Küçük bir pano alanı gerektirdiği için enerji verimliliği sağlanmaktadır. Her dijital işlemi gerçekleştiren bir yapıda olan fpga kart üzerinde programlanabilmektedir.  Kameradan video görüntülerinin sürekli olarak alınmasını sağladığı gibi işlenmesi ve filtrelerden geçirilmesinde de büyük rol oynamaktadır. İlk görüntü alındıktan sonra işlenmesi ve gönderilmesi için beklenmeden ikinci görüntü alınabilmektedir. İşlemlerin hepsi paralel, yani eş zamanlı olarak gerçekleşmektedir.

FPGA Tarihçesi Nedir ?

FPGA’nın üretim başlangıcı, elektronik cihazların üretimi ile aynı olmaktadır. 1950’lerde entegre devre ortaya çıkması, fpga gelişimi için önem arz etmektedir. Elektronik bileşen televizyon, bilgisayar ve cep telefonu gibi elektronik cihazların beyni olarak kabul görmektedir. Programlanabilir yarı iletken çipler 1970 tarihinden beri araştırılarak geliştirilmektedir.

FPGA olarak sınıflandırılan ürün grubunun doğrudan atası olarak XC2064 kabul edilmektedir. FPGA pazarında bir öncü olduğu için en büyük pazar payını elinde tutmaktadır. Tasarım mühendisleri FPGA programlayarak çok çeşitli görevler gerçekleştirmektedir.  Alanda programlanabilir kapı dizileri tasarlamak için CUPL, ABEL, VHDL ve Veriolog HDL gibi normal IC tasarımı için kullanılmaktadır. Donanım açıklama dili daha sıklıkla tercih edilmektedir.

FPGA Özellikleri Nelerdir ?

Yukarıda sizlerle XILINX firmasına ait olan nexys4-DDR isimli modelini göstermekteyiz. Örnek teşkil etmesi amacıyla bir fpga kartının üzerinde hangi giriş çıkışlar bulunur göstermek istedik, tabi ki bu modeli baz alarak farklı modeller de farklı giriş çıkışlar bulunabilir.

1. Güç Seçme Jumperı
2. Mini USB port / UART girişi
3. Harici Yapılandırma jumperı
4. PMOD konnektörleri
5. Mikrofon
6. Güç Kaynağı Test Noktası
7. 16’lı Ledler
8. 16’lı Anahtarlar
9. 8-bit seven segment display
10. JTAG bağlantı noktası harici kablo için (isteğe bağlı)
11. 5’li pushbutton
12. Sıcaklık Sensörü
13. FPGA konfigürasyon reset düğmesi
14. CPU reset butonu
15. Analog Sinyal PMOD konnektörü
16. Programlama Modu jumperı
17. Ses Konnektörü
18. VGA Konnektörü
19. FPGA programlama tamamlandı ledi
20. Ethernet Konnektörü
21. USB Host Konnektörü
22. PIC24 programlama portu
23. Güç Anahtarı
24. Güç girişi

FPGA’lerin çoğu benzer mimariye sahip olmaktadır. Kullanıcıların tasarladıkları sayısal devreler, fpga entegrelerinde çalışmaktadır. Bu durum kullanıcılara portatif tasarım geliştirme imkanı vermektedir. Piyasada bu özelliği kullanan ve müşterileri için belirli bir özel sayısal devre tasarlayan firmalar mevcut olmaktadır.

Firmalar görüntü işlemeden kriptografik algoritmalara kadar birçok uygulama için FPGA kullanmaktadır. Geleneksel ASIC’lerin yerine fpga tercih edilmektedir. Bir uygulama için FPGA üzerinde tasarım yapılıp müşteriye satıldıktan sonra bile özellik iyileştirmesi ve güncelleme yapılabilmektedir.

Geliştirilip ve test edilip pazara sürülmesi, daha kısa süre içerisinde meydana gelmektedir. Tasarım esnasında çoğu donanım hazır olduğu için donanım üzerinden de doğrulama yapılabilmektedir.

FPGA ve Mikrodenetleyici Güç Tüketimi Farkları Nelerdir ?

FPGA çeşitli nedenlerden dolayı mikrodenetleyicilere oranla daha fazla güç tüketiminde bulunmaktadır. Verimli güç sistemleri yapmak isteyen mühendisler için zorluk oluşturmaktadır. Gömülü bir sistemin güç sınırlarını aşan fpga tüm amaçlar için uygun olan şartları taşımayabilmektedir. Öykünme ve prototipleme için kullanılan FPGA, mikrodenetleyici kadar verimli olmamaktadır.

 Yüksek hızlı görevler için FPGA tercih edilmektedir. Güç tüketimi için optimize edilemeyen FPGA, istenildiği gibi özelleştirilebilmektedir. Güç tasarrufu modu bulunan mikrodenetleyici, çoğu durumda sürdürülebilir bir seçenek olarak görülmektedir. Piyasada düşük güç tüketimine sahip FPGA bulmak, mümkün olmamaktadır. FPGA sisteminde güç verimliliğini artırmak için kart üzerinde mikrodenetleyici kullanılmaktadır.

FPGA Nasıl Programlanır ?

FPGA programlamak için tercih edilen birçok yöntem bulunmaktadır. Tıpkı bir işlemci gibi çalışan FPGA, tekrar tekrar programlanma özelliğine sahip olmaktadır. Kullanıcı uygulamalarına göre sıfırdan programlanabilen FPGA için mantıksal hücrelerin gerçekleşeceği fonksiyonlar ve fonksiyonlar arasındaki bağlantılar belirlenmektedir.

Yazılımcıların kod yazarken kullandığı çarp böl gibi aritmetik işlemler, FPGA programlanırken sıfırdan yazılmaktadır. Çekirdekler arası dağıtım ile eş zamanlı işlemler gerçekleştirilmektedir. Mantıksal kapılar kullanılarak oluşturulan süreçler, kod bazında sağlanmaktadır. Uygulama karmaşıklığı istenilen her seviyede olabilmektedir.

FPGA için herhangi bir kısıtlama olmadığından, yazılımcı özgür bir alanda kod yazmaktadır. Donanım tasarımı istenilen amaca göre yapılandırıldığında, güç verimliliği daha fazla olmaktadır. USB’den gücünü alan FPGA, birkaç volt seviyesinde son derece düşük güç tüketiminde bulunmaktadır.

İlginizi Çekebilir : PLC NEDİR ?

Twitter Adresimiz İçin Tıklayınız

Facebook Adresimiz İçin Tıklayınız