Il giusto alimentatore per i dispositivi integrati FPGA

I progettisti elettronici che hanno a che fare con la progettazione di sistemi hardware impieganti circuiti integrati FPGA (field-programmable gate array), devono prestare particolare attenzione nella progettazione di alimentatori ad essi dedicati per la particolare caratteristica di integrazione di questi dispositivi, e per alcuni elementi di criticità e complessità come ad esempio le numerose linee di alimentazione, il livello di ripple di tensione e il rumore intrinseco. I dispositivi a logica programmabile FPGA, così come i PLD, hanno una complessità tale da essere considerati dei veri e propri complessi sistemi integrati, conseguentemente l’alimentazione di questi dispositivi equivale a quello di un sistema hardware modulare complesso.

Introduzione

La tecnologia dei circuiti integrati Field-programmable gate array (FPGA) inventati dalla Xilinx più di trent’anni fa, sta avendo un notevole incremento nel mercato delle logiche programmabili nel mondo, rimpiazzando integrati ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) e processori DSP. È quindi evidente anche l’incremento di interesse da parte di costruttori di dispositivi elettronici di realizzare circuiti integrati specifici dedicati alla progettazione di hardware con le FPGA (per un approfondimento consultare il seguente link).

Ma cos’è un alimentatore per i dispositivi a logica programmabile FPGA?

Prima di addentrarci nella descrizione degli alimentatori, scopriamo che cosa sono e quali sono le peculiarità di questi dispositivi. Immaginiamo di voler realizzare un circuito elettronico che svolga determinate funzioni utilizzando vari componenti collegati insieme. Dovremmo iniziare da una scheda 1000 fori oppure da una breadboard sulla quale inserire i vari componenti necessari, collegarli fra di loro secondo quanto stabilito dal progetto mediante collegamenti filari con saldatura, wire-up oppure inserendo i conduttori nei fori della breadboard. Poi, terminato il lavoro di montaggio si fa il collaudo del circuito; se ci sono dei problemi si dovrà fare qualche test di verifica, magari si deve sostituire qualche componente, scollegarne conduttori,  dissaldare e risaldare, o addirittura rivedere il progetto e così via. Effettivamente un lavoro che impegna abbastanza tempo. Con le FPGA si può fare tutto questo semplicemente progettando un software che realizzi le funzioni hardware richieste. Infatti le FPGA sono chips ad alta integrazione costituiti da blocchi di logica pre-costruita programmabile le cui risorse possono essere configurate per realizzare funzionalità hardware senza appunto la necessità di collegare o saldare fili. In pratica viene sviluppato il progetto digitale mediante software contenente tutte le informazioni necessarie per il collegamento dei vari blocchi di logica rendendo così personalizzabile l’applicazione nelle sue relative funzionalità. Attualmente è abbastanza facile realizzare la programmazione di questi componenti essendo disponibili strumenti dedicati alla programmazione FPGA, come ad esempio la progettazione e programmazione mediante tools grafici oppure direttamente mediante programmazione in C dando come risultato la circuiteria digitale richiesta (per un maggior approfondimento sul linguaggio C consultare il seguente link).

Le peculiarità della tecnologia FPGA

La potenza di calcolo dei dispositivi FPGA è superiore a quella dei processori DSP. Nei processi di controllo delle interfacce hardware, il più rapido tempo di risposta ingresso-uscita e le funzionalità specializzate rendono le FPGA più appetibili nelle applicazioni in cui vengono richieste queste prestazioni. L’affidabilità e flessibilità della tecnologia FPGA, nonché la capacità di rapidità di esecuzione di prototipi, ne consente conseguentemente un maggiore incremento di presenza sul mercato. I processi di fabbricazione sono accelerati anche grazie all’agilità di progettazione di questi integrati che possono essere programmati e riprogrammati rendendo il progetto facilmente revisionabile. La disponibilità di sempre più nuovi strumenti di programmazione e progettazione e del software di alto livello e spesso il minor costo, rende i dispositivi FPGA preferibili dai costruttori di dispositivi hardware rispetto ad altri integrati come DSP e ASIC. In merito all’affidabilità occorre dire che, mentre i processori utilizzano sistemi operativi e le istruzioni vengono eseguite una alla volta, gli integrati FPGA non utilizzando sistemi operativi non presentano rischi di malfunzionamenti inerenti criticità nei tempi di esecuzione. Riguardo la manutenzione a lungo termine necessaria nei casi in cui un’applicazione deve essere aggiornata sia nell’hardware che nel software perché possono cambiare le specifiche di funzionamento nel tempo, si deve osservare la maggiore flessibilità delle FPGA rispetto ai dispositivi basati su ASIC, grazie alla riconfigurabilità. Infatti gli ASIC devono essere completamente riprogettati per adeguarsi agli aggiornamenti delle applicazioni in cui sono coinvolti, come ad esempio nelle applicazioni di protocolli di comunicazione digitale. Infatti, essendo riconfigurabile il chip FPGA può tenere il passo con le future modifiche che potrebbero essere necessarie. Quindi come un prodotto o sistema si aggiorna, per esempio  aumentando la richiesta di prestazioni più performanti, è possibile effettuare miglioramenti funzionali senza spendere tempo per riprogettare l'hardware o modificare il layout della scheda. Concludendo questa panoramica sui circuiti integrati FPGA si può rilevare quanto sia strategica questa importante tecnologia delle logiche programmabili nel campo dell’elettronica digitale. Da ciò discerne la consapevolezza dei produttori di circuiti integrati di affiancare ai dispositivi [...]

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