FPGA ile CPLD arasındaki farklar nelerdir?

CPLD nedir?

Karmaşık programlanabilir mantık aygıtları anlamına gelen CPLD'ler, vaatlerini bütünüyle yerine getirir. Temel olarak, birden çok PAL'in (programlanabilir dizi mantığı) tek bir yonga içinde birleştirilmesini ve bir çapraz nokta anahtarı üzerinden birbirine bağlanmasını taklit edecek şekilde tasarlanırlar. Aynı teknoloji üzerine kurulmaları, aynı programlama yöntemlerini kullanmaları ve tanıdık geliştirme araçlarından yararlanmaları sayesinde daha kapsamlı ve karmaşık mantık işlemlerini etkili bir şekilde gerçekleştirebilirler.

FPGA'ler ve SPLD'ler (basit programlanabilir mantık aygıtları) CPLD'lere kıyasla daha gelişmiş olsa da CPLD'lere benzer şekilde çalışırlar. CPLD'ler SPLD'lerden daha karmaşık, ancak FPGA'lerden daha az karmaşıktır. PAL (programlanabilir dizi mantığı), PLA (programlanabilir mantık dizisi) ve GAL (genel dizi mantığı) gibi yaygın olarak kullanılan SPLD'ler, CPLD'lerle bazı benzerlikler taşır.

FPGA nedir?

Alan programlanabilir kapı dizileri (FPGA'ler), programlanabilir bağlantılarla birbirine bağlanan özelleştirilebilir mantık bloğu (CLB) matrisine sahip yarı iletken aygıtlardır. FPGA'leri farklı kılan özellik, üretimden sonra yeniden programlanabilmeleridir; bu sayede belirli uygulama veya özellik gereksinimlerine uyum sağlayabilirler.

FPGA yongaları, belirli tasarım gereksinimleri için özel olarak tasarlanan Uygulamaya Özel Tümleşik Devrelerden (ASIC'ler) önemli bir özelliğiyle ayrılır. Bu ayırt edici özellik, FPGA'lerin yeniden programlanabilir olmasıdır. Sabit bir tasarıma sahip ASIC'lerin aksine FPGA'ler gerektiğinde yeniden yapılandırılabilir veya güncellenebilir; bu da onları değişen tasarım gereksinimlerine uyum sağlama konusunda daha esnek kılar.

FPGA'ler arasında SRAM tabanlı FPGA'ler, birden çok kez güncellenebilmeleri nedeniyle tek seferlik programlanabilir (OTP) FPGA geliştirme kartlarından daha popülerdir.

FPGA'ler, PAL'ler veya diğer geleneksel programlanabilir aygıtlar gibi değil, kapı dizisi ASIC'lerine benzer şekilde yapılandırılır. Genellikle bir ASIC'in sonunda kullanılacağı durumlarda, nihai üretimden önce ASIC'in işlevselliğini prototiplemek ve test etmek için kullanılırlar. Bu, ASIC üretimiyle ilişkili daha yüksek maliyetleri üstlenmeden önce tasarımın doğrulanmasına ve yinelenmesine olanak tanır.

CPLD Mimarisi

Bir CPLD (Karmaşık Programlanabilir Mantık Aygıtı), makro hücreler olarak adlandırılan birden çok PAL (Programlanabilir Dizi Mantığı) yapısı kullanılarak oluşturulur. PAL teknolojisinin geliştirilmiş bir hâlidir. Bir CPLD'de paket içindeki her giriş pini her makro hücreye erişebilir; ancak her makro hücrenin yalnızca bir çıkış pini vardır. Bir CPLD'nin blok diyagramı, iç yapısını gösterir.

Blok diyagramı, bir CPLD'nin çok sayıda makro hücreden veya işlev bloğundan oluştuğunu vurgular. Bu makro hücreler, programlanabilir bir küresel bağlantı matrisi (GIM) üzerinden birbirine bağlanır. GIM'in yeniden düzenlenmesi, çeşitli mantık devrelerinin oluşturulmasını sağlar. CPLD'ler, harici donanımlarla arayüz oluşturmak için dijital giriş ve çıkış pinlerini kullanır. Bu mimari, belirli tasarım gereksinimlerine göre farklı mantık işlevlerinin uygulanmasında esneklik ve yeniden yapılandırılabilirlik sağlar.

CPLD Yapısı

Örnek olarak Xilinx XC9500XL serisi çip kullanılarak bir CPLD'nin temel yapısı tanıtılmaktadır. CPLD'nin mimarisi, ürün terimleri (Product-Term) kavramına dayanır. Üç temel bileşenden oluşur: İşlev Bloğu, FastCONNECT II SwitchMatrix ve I/O Kontrol Modülü.

Grafik, her işlev bloğunun; programlanabilir bir dizi, bir ürün terimi ayırıcısı ve 18 makro hücreden oluştuğunu göstermektedir. Bu makro hücreler, temel mantık işlemlerini gerçekleştiren temel birimlerdir.

I/O Kontrol Modülü; açık kolektör çıkışları ve üç durumlu çıkışlar gibi giriş ve çıkış pinlerinin çeşitli elektriksel özelliklerini yapılandırmaktan sorumludur. Ayrıca giriş ve çıkışla ilgili işlevleri yönetir.

Ayrıca saat (I/O/GCK), sıfırlama (I/O/GSR) ve çıkış etkinleştirme (I/O/GTS) için, CPLD içindeki her işlev modülüne özel hatlar üzerinden bağlanan global sinyaller bulunur. Bu global sinyaller, CPLD'nin çalışması için koordinasyon ve senkronizasyon sağlar.

CPLD'nin temel bileşenlerinden biri olan makro hücre, temel mantık işlemlerini gerçekleştirmekten sorumludur. Bir makro hücrenin temel yapısı aşağıdaki görüntüde gösterilmiştir. Görüntünün sol tarafında, belirli yapılandırmaya bağlı olarak bulunabilen veya bulunmayabilen bir ürün terimi dizisi görülebilir.

Ürün terimi dizisindeki her kesişim noktası programlanabilir ve etkinleştirildiğinde "ile" mantık işlemleri gerçekleştirerek arka planda çalışan ürün terimi ayırıcısıyla birlikte kombinasyonel mantığa katkıda bulunur. Bu esneklik, makro hücre içinde çeşitli mantık işlevlerinin oluşturulmasını sağlar.

Görüntünün sağ tarafındaki programlanabilir flip-flop, tasarım gereksinimlerine bağlı olarak D flip-flop veya T flip-flop şeklinde yapılandırılabilir. Tetikleme işlevi gerekli değilse devre dışı bırakılabilir ve sinyal, CPLD içinde farklı mantık işlevlerinin tasarlanması ve uygulanmasında esneklik sağlayacak şekilde I/O pinine veya bağlantı matrisine yönlendirilebilir.

CPLD Bileşenleri

CPLD bileşenleri, birlikte cihazın mimarisini oluşturan çeşitli unsurlardan meydana gelir. Aşağıda bu bileşenlerin ayrıntılı açıklaması yer almaktadır:

1. Programlanabilir Bileşenler: CPLD'ler; flash EPROM (Silinebilir Programlanabilir Salt Okunur Bellek), EEPROM (Elektrikle Silinebilir Programlanabilir Salt Okunur Bellek), PROM (Programlanabilir Salt Okunur Bellek) ve ROM (Salt Okunur Bellek) gibi programlanabilir bileşenleri kullanır. Bu bileşenler yapılandırma verilerini depolar ve cihazın mantık işlevlerini tanımlayacak şekilde değiştirilebilir.
2. İşlev Bloğu: CPLD içindeki bir işlev bloğu, G/Ç bloklarından, diğer işlev bloklarından veya aynı işlev bloğunun çıkışlarından giriş alan bir VE düzleminden oluşur. Girişler mantıksal işlemlerden geçirilir ve ardından büyük bir çoklayıcı kullanılarak VEYA dizisine eklenmeden önce seçilir. Bu işlem, CPLD içinde karmaşık mantık işlevlerinin oluşturulmasını sağlar.
3. Bağlantı: CPLD içindeki bağlantı, sinyallerin aygıtın bir bölümünden diğerine nasıl yönlendirileceğini denetleyen programlanabilir anahtarlardan oluşan bir matristir. İstenen mantığı yapılandırmak için işlev blokları ve G/Ç blokları dahil çeşitli öğeler arasında bağlantılar kurulmasını sağlar.
4. Giriş/Çıkış Blokları: Giriş/Çıkış (G/Ç) blokları, harici donanımla arabirim oluşturmakla sorumludur. Sinyallerin uygun gerilim ve akım seviyelerinde CPLD pinlerine gidip gelmesini sağlarlar. G/Ç blokları gecikmeleri azaltmaya, aygıtın boşta kalması gereken süreyi en aza indirmeye ve CPLD'nin genel kaynak kullanımını artırmaya katkıda bulunur.

Bu bileşenler, karmaşık dijital mantık işlevlerini bir CPLD içinde yapılandırmada esneklik ve çok yönlülük sağlamak üzere birlikte çalışırken harici aygıtlarla verimli iletişimi kolaylaştırır.

CPLD'nin avantajları

• Tasarlanması kolaydır.
• Makul bir maliyetle geliştirilmiştir.
• CPLD, kartın daha küçük olmasına yardımcı olur.
• Yüksek güvenilirlik sağlar.

CPLD'nin dezavantajları

• CPLD, SPLD'den daha gelişmiş bir programlanabilir mantık aygıtıdır.
• Daha karmaşık bir programlanabilir mantık birimidir.

CPLD nasıl çalışır?

CPLD'ler (Karmaşık Programlanabilir Mantık Aygıtları), son derece kompakt, hızlı ve enerji verimli programlanabilir mantık aygıtları oluşturmak için CMOS EPROM, EEPROM, flash bellek ve SRAM dahil olmak üzere çeşitli programlama teknolojilerini kullanır. Bu aygıtlar, nispeten karmaşık yapılara ve büyük fiziksel boyutlara sahip büyük ölçekli tümleşik devreler kategorisine girer. CPLD'ler, kullanıcıların kendi gereksinimlerine göre özel mantık devreleri tasarlamasına ve uygulamasına olanak tanıyan bir dijital tümleşik devre türüdür.

CPLD'lerle tasarım yapmanın temel yaklaşımı aşağıdaki adımları içerir:

1. İstenen dijital sistemi entegre bir geliştirme yazılım platformu kullanarak geliştirin.
2. Tasarımı bir donanım tanımlama dili kullanarak ifade edin.
3. Tasarım kodunu, “sistem içi” programlama olarak bilinen bir işlemle indirme kablosu üzerinden hedef CPLD yongasına aktarın.
4. CPLD tarafından gerçekleştirilecek mantık işlevlerini tanımlayan ilgili hedef dosyayı oluşturun.

FPGA Mimarisi

Bir FPGA'nın (Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi) temel tasarımında üç ana modül türü kullanılır. Bu modüller G/Ç blokları veya pedleri, bağlantı hatları, anahtar matrisleri ve programlanabilir mantık bloklarıdır (CLB'ler). Kullanıcılar, bir FPGA'nın temel mimari yapısını oluşturmak için bu bileşenleri çeşitli yapılandırmalarda birbirine bağlayabilir.

Bu FPGA mimari modüllerinin işlevleri:

1. CLB (Yapılandırılabilir Mantık Bloğu): CLB, mantık işlemlerini gerçekleştirmekten sorumlu temel birimdir. Mantık elemanları ile dijital giriş ve çıkış bağlantılarından oluşur. Kullanıcılar, kendi uygulamalarına özgü gereksinimler doğrultusunda özel mantık işlevleri uygulamak için CLB'leri yapılandırabilir.
2. Ara bağlantılar: Ara bağlantılar, FPGA içindeki çeşitli mantık blokları arasında talimatları ve verileri taşıyan yollar görevi görür. Bu yollar, CLB'lerin kullanıcı tarafından tanımlanan mantığı yürütürken birlikte çalışmasını sağlar.
3. Anahtarlama Matrisi: Anahtarlama matrisi, FPGA içindeki bileşenler arasında gerekli mantık tabanlı bağlantıları ve yönlendirmeyi sağlar. Bağlantıların dinamik olarak yapılandırılmasını kolaylaştırarak FPGA'nin farklı mantık tasarımlarına uyarlanabilmesi için esneklik sunar.
4. G/Ç Pedleri: G/Ç pedleri, FPGA ile harici cihazlar veya dış dünya arasındaki arabirim görevi görür. Harici donanımla bağlantı kurulmasını sağlayarak verilerin FPGA'ye ve FPGA'den aktarılmasına olanak tanır.

Bu modülleri iki boyutlu diziler hâlinde birbirine bağlama ve belirli gereksinimlere göre yapılandırma yeteneği, FPGA'lerin temel özelliklerinden biridir. Bu esneklik ve programlanabilirlik, FPGA'leri dijital sinyal işlemeden özelleştirilebilir donanım uygulamalarına kadar geniş bir uygulama yelpazesi için uygun hâle getirir.

FPGA Temelleri

Bir FPGA içindeki tek bir CLB (Yapılandırılabilir Mantık Bloğu), her biri CLB'nin işlevselliğine katkıda bulunan birden fazla mantık bloğundan oluşur. FPGA'nin önemli bir özelliği, bu teknolojiye özgü olan arama tablosudur (LUT). LUT'ler, olası her giriş kombinasyonu için önceden belirlenmiş mantık çıkışları listesini tutabilir. Genellikle LUT'ler, dört ila altı giriş biti içeren sürümler hâlinde bulunur. LUT'ler kullanılarak uygulanabilen yaygın mantık işlemleri arasında flip-flop'lar, tam toplayıcılar ve çoklayıcılar bulunur.

Bir CLB içindeki bileşenlerin sayısı ve yapılandırması, belirli FPGA cihazına bağlı olarak değişebilir. Basitleştirilmiş bir sürümde CLB; iki adet üç girişli LUT (1), bir tam toplayıcı (3), bir D tipi flip-flop (5), bir normal çoklayıcı (2) ve FPGA içindeki iki programlanabilir çoklayıcıdan oluşabilir.

Yoğunlaştırılmış bir CLB iki farklı şekilde çalışabilir. Aritmetik modda tam toplayıcı, LUT çıkışlarından gelen girişleri ve başka bir CLB'den gelen taşıma girişini alır. Normal modda LUT'ler ve Çoklayıcı 2 birlikte çalışarak dört girişli bir LUT oluşturur. Çoklayıcı 4, tam toplayıcı çıkışının mı yoksa LUT çıkışının mı kullanılacağını belirler. Bir işlemin asenkron mu olacağı yoksa FPGA saat sinyaliyle mi senkronize edileceği, Çoklayıcı 6 üzerinden D tipi flip-flop tarafından belirlenir.

Günümüz nesil FPGA'lerde daha gelişmiş CLB'ler, tek bir blok içinde birden fazla işlemi gerçekleştirebilir. Bu gelişmiş CLB'ler birleştirilerek çarpanlar, yazmaçlar, sayaçlar ve hatta dijital sinyal işleme (DSP) faaliyetleri gibi daha karmaşık görevler yürütülebilir; bu da FPGA'leri geniş bir uygulama yelpazesi için çok yönlü hâle getirir.

FPGA Bileşenleri

• G/Ç Bloğu, yongaları bağlamak için kullanılır.
• Programlanabilir yönlendirme kullanılarak işlevlerden yararlanmak mümkündür.
• Mantık işlevleri, programlanabilir mantık blokları kullanılarak gerçekleştirilebilir.

FPGA'nin Artıları

• FPGA geliştirme, NRE (Tekrarlanmayan Giderler) bulunmadığı ve daha uygun maliyetli araçlar kullanıldığı için ASIC geliştirmeden daha ucuzdur.
• FPGA'ler yazılım düzeyinde her zaman programlanabilir. Bu nedenle FPGA tümleşik devresi sınırsız kez yeniden yapılandırılabilir veya yeniden kullanılabilir. FPGA'ler uzaktan da programlanabilir.
• FPGA tümleşik devreleri HDL koduyla kolayca programlanabilir ve yaygın olarak bulunur. Bunun sonucunda çözümün pazara daha hızlı sunulması sağlanır.
• FPGA tasarımında yönlendirme, yerleştirme ve zamanlama yazılım tarafından gerçekleştirilir. Bu, daha az manuel iş gerektirir. Tasarım akışı sayesinde zaman alan ve zor yerleştirme-yönlendirme, kat planlama ve zamanlama işlemleri ortadan kalkar.
• FPGA'ler mantık düzeyinde programlama olanağı sunar. Bunun sonucunda daha fazla paralel ve daha hızlı sinyal işleme gerçekleştirebilirler. CPU tarafından yürütülmesi zordur.

FPGA'nin Eksileri

• FPGA'leri programlamak için dijital sistemler ve VHDL/Verilog programlama dilleri hakkında temel bilgi ön koşuldur. Programlama, işlemci içeren ekipmanlarda kullanılan programlamaya göre daha karmaşıktır. Ayrıca mühendislerin simülasyon yazılımını nasıl kullanacaklarını anlamaları gerekir.
• Tasarımın boyutu ve özellikleri, FPGA seçilip tasarımda kullanıldıktan sonra FPGA tümleşik devresinde bulunan kaynaklarla sınırlıdır. Bu sorunu önlemek için başlangıçta uygun bir FPGA seçilmelidir.
• FPGA'nin güç tüketimi yüksektir ve programcıların güç optimizasyonu üzerinde sınırlı kontrolü vardır.
• FPGA'ler, çeşitli uygulamalardaki çok yönlülükleri sayesinde popülerlik kazanmıştır.
• FPGA'lerin özel uygulamaları arasında ses tanıma, kriptografi, sinyal filtreleme, iletişim kodlama, aygıt denetleyicileri, yazılım tanımlı radyo, rastgele mantık, ASIC prototipleme, tıbbi görüntüleme, bilgisayar donanımı öykünmesi ve aygıt denetleyicileri bulunur.
• FPGA'ler çoğunlukla performans ve maliyet dinamiklerinin onları avantajlı kıldığı, özel ve düşük hacimli uygulamalarda kullanılır. Prototipleme ve düşük hacimli üretim FPGA'lerle iyi şekilde gerçekleştirilebilir. Üretilecek FPGA sayısı arttıkça birim başına maliyet de artar.
• FPGA'ler (Alan Programlanabilir Kapı Dizileri), genellikle programlanabilir donanım olarak adlandırılan programlanabilir mantık cihazları ailesinin bir parçasıdır. Kendi başlarına yerleşik bir işlevleri yoktur; ancak istenen hemen her dijital devre gibi davranacak şekilde programlanabilirler. Bu özellik dikkat çekicidir; çünkü lehimleme veya kapsamlı kablolama gerektirmeden hızlı yapılandırmaya olanak tanır.

FPGA'ler şöyle çalışır:

1. Yapılandırma: FPGA'ler, cihaza belirli bir bit akışı yapılandırma dosyası yüklenerek yapılandırılır. Bu yapılandırma, FPGA içindeki mantık elemanlarının bağlantılarını ve davranışını tanımlar.
2. Çok yönlülük: FPGA yapılandırıldıktan sonra istenen dijital devre olarak çalışır. Yeni bir yapılandırma yüklenerek farklı görevleri yerine getirmek üzere kolayca yeniden programlanabilir; bu da onu çok çeşitli uygulamalar için son derece çok yönlü kılar.
3. RAM Tabanlı: FPGA'ler, dinamik yeniden yapılandırmaya olanak tanıyan RAM tabanlı yapılandırma kullanır. Bu, fiziksel değişiklik gerektirmeden aygıtın gerektiğinde güncellenebileceği ve değiştirilebileceği anlamına gelir.
4. Açıklama Tabanlı Tasarım: FPGA'ler için tasarım genellikle geleneksel devre şemaları oluşturmak yerine istenen davranışı açıklamayı içerir. Donanım tanımlama dilleri (HDL'ler) işlevselliği belirtmek için yaygın olarak kullanılır; ardından araçlar ilgili donanım yapılandırmasını oluşturur.

CPLD Uygulamaları:

• Karmaşık programlanabilir mantık devreleri, yüksek performanslı ve zorlu denetim uygulamaları için çok uygundur.
• CPLD'ler, dijital tasarımlarda önyükleyici işlevlerini yerine getirmek için kullanılabilir.
• Yapılandırma verilerinin kalıcı bellekten alan programlanabilir geçit dizilerine yüklenmesinde rol oynarlar.
• CPLD'ler, adres kod çözme gibi basit tasarım görevlerinde yaygın olarak kullanılır.
• Kompakt boyutları ve düşük güç tüketimleri, CPLD'leri fiyata duyarlı, pille çalışan taşınabilir aygıtlar için uygun hale getirir.

FPGA Uygulamaları:

• FPGA'ler, çeşitli uygulamalardaki çok yönlülükleri sayesinde popülerlik kazanmıştır.
• FPGA'lerin özel uygulamaları arasında ses tanıma, kriptografi, sinyal filtreleme, iletişim kodlama, aygıt denetleyicileri, yazılım tanımlı radyo, rastgele mantık, ASIC prototipleme, tıbbi görüntüleme, bilgisayar donanımı öykünmesi ve aygıt denetleyicileri bulunur.
• FPGA'ler, performans ve maliyet dinamiklerinin onları avantajlı bir seçenek haline getirdiği özel ve düşük hacimli uygulamalarda sıklıkla kullanılır.

FPGA ve CPLD karşılaştırması

FPGA'lerin dikey uygulamalarının çoğu özel ve düşük hacimlidir. En iyi şirketler, bu düşük hacimli uygulamalar için birim başına donanım maliyetlerini karşılar. Daha iyi performans dinamikleri ve maliyet sayesinde pratik uygulamaların sayısı artık artmıştır.