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FPGA

2009-02-25T13:19:05Z

192.251.226.205:

FPGA ist die Abkürzung für "'''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray".

== Aufbau ==

=== Komplexere Blöcke (Multiplizierer, RAM, PLL/DLL) ===
Neben den einfachen Flip-Flops beinhalten FPGAs darüber hinaus komplexe Routing- und Speicherkonfigurationsoptionen innerhalb und außerhalb der logischen Elemente (LEs), die es gestatten, komplexe Schalt- und Rechenstrukturen aufzubauen. Für rechenintensive Designs, z.B. in der Signalverarbeitung, enthalten viele FPGAs Multiplizierer direkt auf dem Chip, die in einem einzigen Taktzyklus Multiplikationen durchführen können.

Ferner haben FPGAs oft einen von den LEs getrennt verfügbaren RAM-Bereich integriert, der sich in vielfältiger Weise ansprechen lässt. So können damit Single- oder Dualport-RAMs mit variabler Bitbreite erzeugt werden. Üblich sind mehrere (4 - 30) kleinere Dualport RAM-Blöcke von 4 - 16 kbit. Einige Familien besitzen einen größeren internen RAM, andere spezielle FIFO-Blöcke.

Zur Generierung spezieller Takte sind PLL-Komponenten (phase locked loop) auf dem FPGA integriert. Einige Hersteller setzen mit dem selben Ziel DLL-Blöcke (delay locked loop) ein. Mittels dieser Blöcke können aus einem Taktsignal weitere erzeugt werden. Typisch sind Taktverdopplung oder -vervielfachung. Ebenso kann der Takt geteilt werden oder ein Signal gleicher Frequenz, aber um eine halbe, viertel usw. Periode verschoben erzeugt werden. Typische Anwendungen sind die Ansteuerung von DDR-RAMs oder die Kompensation von Laufzeitunterschieden zwischen Takt und mit diesem getakteten Steuersignalen. Meist sind 2 - 8 Taktnetzwerke und PLL/DLLs gleicher Anzahl integriert. Siehe auch [[Taktung FPGA/CPLD]].

=== CPU im FPGA ===

Programmierbare Prozessoren sind auch häufig bei FPGA Designs unverzichtbar. Diese sind zwar im Allgemeinen langsamer und weniger effizient als eine vollständige Implementation aus Logik-Primitiven -- aber auch deutlich
einfacher zu beherrschen. Insbesondere bei sequentiellen Aufgaben (Benutzerinterface, komplexe Steueraufgaben etc.) wird man gerne auf eine
klassische CPU zurückgreifen.

Manche FPGAs integrieren einem oder mehrere Prozessorkerne (z. B. [[AVR]] bei Atmels FPSLIC oder PowerPC bei Xilinx' Virtex-4) als ''HardCores'' auf einem IC.

Auf der anderen Seite gibt es auch ''SoftCores'' (z. B. ARM-Cortex-M1 bei IGLOO-FPGA von [http://www.actel.com ACTEL]), Prozessorkerne die als Quelltext oder als vor-synthetisierte Netzliste vorliegen. In Abhänigkeit von den zur Verfügung stehenden Resourcen können diese ''SoftCores'' beliebig instantiiert werden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener ''SoftCores'' --
Teilweise kompatibel zu etablierten Prozessorarchitekturen (MIPS, SPARC, AVR), zum Teil optimiert auf die FPGAs einzelner Hersteller. Auch auf vergleichsweise
kleine aktuelle FPGAs kann man problemlos eine 32bit-RISC-CPU integrieren.
Unter [[FPGA Soft Core]] findet man eine Liste einiger weit verbreiteter ''SoftCores''

Als Programmspeicher werden die FPGA-internen RAM-Blöcke oder externe Speicher-ICs (SDRAM, SRAM) genutzt. Für einige Prozessorkerne stehen Hochsprachen wie C, C++ etc. zur Verfügung, andere werden in Assembler programmiert.

== Eigenschaften ==
=== Geschwindigkeit ===
Die maximale „Geschwindigkeit“ eines FPGAs ist von der verwendeten Halbleitertechnologie (Prozess, Strukturgrößen), der internen Schaltungstopologie (Komplexität der LEs), Vorhandensein von harten Strukturen und vor allem vom Design abhängig. Dabei sind der sogenannte Datendurchsatz und die rein maximale Systemtaktfrequenz zu unterscheiden. Die erreichbare Taktfrequenz lässt sich ohne detaillierte Kenntnis des Designs nicht abschätzen, möglich sind je nach »Speed Grade« des ICs typischerweise Taktfrequenzen von 300-500 MHz für die Schaltgeschwindigkeit der reinen Logikelemente. Je nach der Anzahl und Komplexität der pro Takt durchzuführenden Operationen ergeben sich reale reale Systemtaktfrequenzen von meist 10-200 MHz. Maßgeblich ist, in wieweit das Design auf Fläche bzw. Geschwindigkeit hin optimiert und vom Tool synthetisiert wurde: Durch das Einbringen von zusätzlichen Registerstufen lassen sich z.B. zeitkritische Pfade entschärfen, sodass die Frequenz des Chips angehoben werden kann und der effektive Datendurchsatz trotz teilweise mehr CLKs zwischen Ein- und Ausgängen (Latenz) erhöht wird. Dieser lässt sich darüber hinaus durch die Nutzung paralleler Architekturen verbessern.

Die Systemfrequenz kann-, muss aber nicht der Frequenz entsprechen, mit der Daten zyklisch eingetaktet und verarbeitet werden; zudem sind Schaltungsteile mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu unterscheiden: Mit einem Systemtakt1 von 20 MHz lassen sich z.B. 18-Bit AD-Wandler auslesen, die so z.B. alle 1 µs neue Daten liefern, die verarbeitet werden müssen. Bei der Nutzung von 5 solchen Wandlern, die sequentiell verarbeitet werden, lägen 5 MHz Datenfrequenz vor. Für andere Schaltungsteile, die z.B. asynchron an die Peripherie andocken, sowie reine »state machines« können Schaltungsteile auf der 2-4 fachen Frequenz betrieben werden.

Generell sind Fläche und Geschwindigkeit konkurrierende Größen, zwischen denen ein Optimum gefunden werden muss. Für die preiswerten FPGA-Serien wie Spartan (Xilinx) und Cyclone (Altera) sind aufgrund technologischer Randbedingungen etwa 10-30% weniger Taktgeschwindigkeit bei gleichem Design zu erwarten, bzw. muss mit mehr Verbrauch an Logikelementen und Taktzyklen gerechnet werden (weniger Routingreserven, geringere Zahl von LUT-Eingängen, weniger hard-ressourcen).

Identische Chips werden oft in 2 oder mehr Geschwindigkeitsklassen angeboten, die sich meist durch Bauteilselektion bei der Produktion ergeben. Grob kann man ca. 5%-10% höhere Taktung zwischen zwei Speedgrades erwarten.

== Hersteller ==
Die größten Hersteller von FPGAs sind Altera und Xilinx. Weitere Hersteller sind Lattice, Actel und Atmel.

* [http://www.actel.com Actel]
* [http://www.altera.com Altera]
* [http://www.lattice.com Lattice]
* [http://www.xilinx.com Xilinx]

== Anwendung ==

Der Aufbau komplizierter, applikationsnaher Strukturen wird meist durch automatische Routing- und Synthesewerkzeuge erledigt, welche mit einer logischen, funktionellen Beschreibung der Architektur in einer Hardwarebeschreibungssprache wie z.B. VHDL "gefüttert" werden. Die Hardwarebeschreibung in VHDL gelingt ihrerseits z.B. mit VHDL-generierenden Werkzeugen, mittels derer zuvor Logikstrukturen, hardwarenahe Strukturen, Ablaufdiagramme und Zustandsautomaten formuliert wurden.

Durch die Standardisierung der Architektur einerseits und die Entkoppplung von applikationsorientierter Beschreibung sowie Chip- und Hersteller-spezifischer Synthese andererseits, wird die Hardware quasi als Software gebaut. Dies wiederum schafft alle Optionen der Wiederverwendung und Austausch von "Hardwareteilen". So stehen inzwischen komplett nutzbare Schaltungen wie serielle Bausteine, RAM-Controller und vieles mehr als Open Source zur Verfügung.

== Entwicklungsboards und Starterkits ==

=== Boards für Altera-FPGAs ===
==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* * Wahlweise mit Altera EP1C12F324C8 oder Xilinx XC3S1000-4FG456C
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Endpreis: ~150 Euro (inkl. MwSt. und Versand)

==== Terasic TREX C1 Multimedia Development Kit ====
* Altera EP1C6Q240C8 & EP1S Serial Configuration Device
* Built-in USB Blaster programming circuitry (JTAG and AS mode)
* 1 MiB Flash Memory & 8 MiB SDRAM (1M x 4 x 16)
* CF Card Socket, 16-bit CD-quality Audio DAC
* TV Encoder, VGA, RS-232, PS/2, and more
* Many reference designs and C++ applications
* [http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=39&No=14 www.terasic.com.tw]
* fertiger Core eines CPC6128 (8-Bit Homecomputer von 1984) für dieses Board, inlusive Sourcecode (eigener Z80 in AHDL, mit 24MHz eingesetzt): [http://www.symbos.de/trex.htm http://www.symbos.de/trex.htm]
* Listenpreis $149,-

==== Altera Cyclone II 2C20 ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C7N FPGA mit 20000 LEs
* USB-BlasterTM download cable (integriert)
* EPCS4 serial configuration Flash
* 8-Mbyte SDRAM, 512-Kb SRAM, 4-Mbyte flash
* externer SMA - Clock-Eingang
* 24-bit Audio coder/decoder (CODEC)
* 10 Schalter, 4 Druckknöpfe inkl Reset
* 4St. 7-Segmentanzeigen, 10 rote LEDs + 8 grüne LEDs
* VGA, RS-232, and PS/2 Stecker
* Zwei 40-pin expansion ports + SD/MMC socket
* USB-Kabel, externes Steckernetztteil, CD-Rom
* Reference designs
* Qartus II Web Edition + NIOS II Web Edition
* http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html
* Listenpreis $150,-

==== Hpe Mini AC II - Altera Cyclone board von Gleichmann Research ====
* Altera Cyclone II EP2C35 FPGA (speed grade 6)
* Mit reprogrammierbarem Flash zur automatischen FPGA-Konfiguration
* 25 pin SUB-D connector (parallel) für direktes FPGA-Programmieren
* RS232 (9 pin SUB-D)
* VGA (15 pin SUB-D) mit 64 möglichen Farben
* Ethernet 10/100 Mbit/s, full/half duplex
* 1 USB 2.0 compatible full-speed target connector
* 3 USB 2.0 compatible full-speed host connectors
* Santa Cruz connector mit 40 nutzbaren I/Os
* Audio interface (line-in and line-out) mit CODEC
* SODIMM144 Sockel für (SDRAM) 256MB
* SDRAM-Speichersockel mit nur 32-Bit angebunden, die Hälfte des Speichers bleibt nicht nutzbar
* 25 MHz oscillator
* Prototyping area, Lötfläche
* 8 LEDs, grün, blau, 3x4 key matrix, 4-bit DIP switch
* LCD connector, 2-character 7-segment display
* Single step Knopf und Reset Knopf
* Parallelportkabel für PC
* Beispieldesign, Testprogramme, Datenblätter
* LEON3-CPU Design inkl. Source Code, Quartus IDE, SnapGear Linux
* Je nach Ausführung des Flashs €399,- bis €499,-

==== Altera DE2 - Development and Education Board ====
* Altera Cyclone II 2C35 FPGA mit 35000 LEs
* Altera Serial Configuration devices (EPCS16) für Cyclone II 2C35
* USB Blaster board zur Programmierung und User API
* 8 MB SDRAM, 4 MB Flash Memory, 512KB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, Ethernet, 10-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player)
* [http://wwwab.fh-wedel.de/bause/handouts/vhdl/VhdlEinfuehrung.pdf Kleines aber nettes Tutorial zum Altera DE2 Dev. Board]
* Listenpreis US $495,-

==== Cyclone III embedded Development Kit====
* Altera Cyclone III EP3C25 FPGA
* 640x480 LCD Display mit touch screen function
* MiniSD-Card Sockel
* Audio Interface ADC CODEC
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstelle
* FPGA-Konfiguration über USB
* NIOS II EVAL Lizenz
* IP LIB Altera
* Listenpreis US $495,- ueber ALtera Webseite
* Bei EBV €349,- inkl. MwSt.

==== Cyclone II EP2C35 Entwicklungsboard ====
* Altera Cyclone II EP2C35-F672C8 FPGA mit 33.216 LEs
* Insgesamt 172 I/Os exklusiv verfügbar
* Bis zu 256 MByte SDRAM (SODIMM Speichermodul, 64-Bit Busanbindung)
* 16 MByte Flash (16-Bit Busanbindung)
* MiniSD-Card Sockel
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstellenkontroller
* USB 2.0 high speed (480 Mbit) Schnittstellenkontroller
* FPGA-Konfiguration über USB
* Abmessungen: 96mm x 68mm
* Kompatibel mit der frei verfügbaren Altera Entwicklungssoftware
* http://www.fpga-dev.de/index.php?site=ep2c35_beschreibung
* wird in regelmässigen Abständen für 149,- Euro über ebay vertrieben (einfach nach "altera cyclone" suchen)

==== NanoBoard-NB1 von Altium ====
* kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Unterstützt eine breite Palette von Ziel-FPGAs durch Aufsteckplatinen
* Altera Cyclone (EP1C12-Q240C7) Aufsteckplatine enthalten
* Xilinx Spartan IIE (XC2S300E-PQ208) im Lieferumfang enthalten
* Enthält Stromversorgung mit verschiedenen Steckern für unterschiedliche Konfigurationen
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* NanoBoard-NB1 Reference-Handbuch zur Hardware
* Peripherie: LCD, LEDs, Dip-Schalter, Tastenblock, Summer, ADC/DAC, 256K x 8 RAM, 8 MiB Serial Flash RAM, on-board Serial Flash RAM für FPGA-Konfig.
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, CAN, VGA, I2C, IO Stecker für allg. Zwecke
* Upgradefähige NanoBoard Controller Firmware
* Stabiler NanoBard-Sockel
* Listenpreis €995,-
=== Debugging-Hilfen ===
Gerade beim [[Debugging]] größerer FPGA-Designs ist es oft notwendig, auf interne Signale und Busse zuzugreifen, die aus routing- oder Platzgründen nicht an Pins des FPGAs gelegt - und mit konventionellen Analysatoren beobachtet werden können. Nebst den einschlägigen Tools der Hersteller, welche Signal probing über JTAG gestatten (z.B. ChipsScope und SignalTap), werden in FPGAs oft mehr oder weniger komplexe [[Logic Analyzer]] integriert, welche die internen Signale in vielfältiger Weise aufzeichnen. Diese werden in Block-RAMs oder FIFOs gespeichert und durch externe Master ausgelesen. Hier kommen auf der Platine befindliche MCUs oder fremd zugreifende FPGAs / CPUs in Betracht, welche über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen (seriell, parallel, LVDS) angeschlossen sind. Dazu werden in die FPGAs entsprechende Cores / Treiber eininstanziiert.

Nachfolgend einige Beispiele:

====Proprietärer serieller Logic Analyzer ====

Die einfachste Möglichkeit ist die direkte Instanziierung eines Blockrams als FIFO mit "breitem" Busanschluss: Linksseitig besitzt das FIFO eine Breite von z.B. 256 Bit (Xilinx-Rams lassen sich ohne weitere Umbeschaltung über den Wizzard mit bis zu 1024 Bits deklarieren und nutzen). Rechtsseitig einen 16- oder 32 Bit breiten Busanschluss für einen Prozessor bzw Parallelinterface oder einen 1 Bit breiten Anschluss für ein serielles streaming interface. Mit einem FiFo-enable können die zu sampelnden Zeiten (Busphasen) festgelegt werden, z.B. anhand eines Kriteriums wie die Erfüllung einer bestimmten mathematischen Bedingung, die man in VHDL formuliert, oder es wird einfach ein Trigger gesetzt. Solange das FiFo nicht voll ist, kann geschrieben werden, was durch die interne FiFo-Verwaltung selbst bereits komplett geregelt wird.

Beim einfachen seriellen Logic Analyzer benötigt man nur noch einen kleinen Core, der permanent das FiFo liest, und den seriellen Overhead (Startbit, Stoppbit, Parity und gfs CRC) hinzufügt. Mit einem einfach Pegelwandler kann so ein PC direkt angeschlossen werden.

Auch denkbar ist die Anbindung an ein fremdes FPGA-board mit viel Speicher über (LV-)DS-Kommunikation. In komplexeren Systemen wird ein CAN- oder USB-Core eingesetzt.

Wenn mittels des Kriteriums nur ganz bestimmte kritische Phasen herausgesampelt werden (z.B. das Auftauchen eines bestimmten Rechenfehlers im FPGA) und so das Datenaufkommen je Zeiteinheit über längere Zeit betrachtet eher gering ist, kann bei geeignetem Datendurchsatz in Echtzeit dauerhaft mitprotokolliert werden.

==== BusProbe, der Debugging Core von abaxor engineering ====
Mit der BusProbe kann der Entwickler den Signalfluss im FPGA-Design auch über einen längeren Zeitraum überwachen und am PC aufzeichnen. Der Core verarbeitet an jedem Eingang einen kompletten Bus.

Die Daten werden gemultiplext zum PC geschickt und dort per Software demultiplext. Im PC erfolgt auch die Auswertung mit beliebigen Analyse-Tools.

Gegenüber dem Betriebssystem verhält sich die BusProbe wie eine Festplatte, von der die Daten mit gewöhnlichen Zugriffen gelesen werden können.

* Streaming der Daten zum PC mit mehr als 20 MByte/s
* keine Treiber im PC da Nutzung von Standardschnittstellen (USB oder IDE)
* Hot-Pluging
* Visualisierung mit beliebigen Programmen
* geringer Logikaufwand

[http://www.abaxor.de/produkte.html abaxor.de-Webseite]

==== open source Logikanalysator von sump.org====
Ein einfacher, übersichtlicher Logikanalysator findet sich auf sump.org. Er liegt im Quelltext vor wird mit ins Design einsynthetisiert. Als Speicher dient wahlweise SRAM oder intern RAM. Es können 32 Kanäle mit 100 MHz (oder weniger) gesampelt werden. Die Bediensoftware läuft platformunabhängig unter Java und benötigt eine serielle Schnittstelle (auch über USB-seriell Wandler) zum Core.

[http://de.sump.org/projects/analyzer/ sump.org-Webseite]

== Siehe auch ==
* [[Hardwarebeschreibungssprachen]]
* [[Reset für FPGA/CPLD]]
* [[Taktung FPGA/CPLD]]
* Projekt [[Audio-DSP mit Spartan 3-FPGA]]

== Weblinks ==
* [http://www.fpga4fun.com/index.html FPGA4Fun] - FPGA-Projekte, größtenteils mit Altera und Verilog
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-4969729965240981475 Ein Vortrag, auf Englisch: General Purpose, Low Power Supercomputing Using Reconfiguration Logic]
* http://www.opencores.org - FPGA-Projekte, Opensource, jeder kann seine Eigenen einstellen und an anderen mitarbeiten. U.a. gibt es verschiedene CPUs für FPGAs.
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm John's FPGA Page]
* [http://www.embedded.com/columns/whatsnew/197003073 More about designing with embedded FPGAs] by Bernard Cole, Embedded.com

[[Category:FPGA und Co]]

FPGA

2009-02-25T13:18:21Z

192.251.226.205:

FPGA ist die Abkürzung für "'''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray".

== Aufbau ==

=== Komplexere Blöcke (Multiplizierer, RAM, PLL/DLL) ===
Neben den einfachen Flip-Flops beinhalten FPGAs darüber hinaus komplexe Routing- und Speicherkonfigurationsoptionen innerhalb und außerhalb der logischen Elemente (LEs), die es gestatten, komplexe Schalt- und Rechenstrukturen aufzubauen. Für rechenintensive Designs, z.B. in der Signalverarbeitung, enthalten viele FPGAs Multiplizierer direkt auf dem Chip, die in einem einzigen Taktzyklus Multiplikationen durchführen können.

Ferner haben FPGAs oft einen von den LEs getrennt verfügbaren RAM-Bereich integriert, der sich in vielfältiger Weise ansprechen lässt. So können damit Single- oder Dualport-RAMs mit variabler Bitbreite erzeugt werden. Üblich sind mehrere (4 - 30) kleinere Dualport RAM-Blöcke von 4 - 16 kbit. Einige Familien besitzen einen größeren internen RAM, andere spezielle FIFO-Blöcke.

Zur Generierung spezieller Takte sind PLL-Komponenten (phase locked loop) auf dem FPGA integriert. Einige Hersteller setzen mit dem selben Ziel DLL-Blöcke (delay locked loop) ein. Mittels dieser Blöcke können aus einem Taktsignal weitere erzeugt werden. Typisch sind Taktverdopplung oder -vervielfachung. Ebenso kann der Takt geteilt werden oder ein Signal gleicher Frequenz, aber um eine halbe, viertel usw. Periode verschoben erzeugt werden. Typische Anwendungen sind die Ansteuerung von DDR-RAMs oder die Kompensation von Laufzeitunterschieden zwischen Takt und mit diesem getakteten Steuersignalen. Meist sind 2 - 8 Taktnetzwerke und PLL/DLLs gleicher Anzahl integriert. Siehe auch [[Taktung FPGA/CPLD]].

=== CPU im FPGA ===

Programmierbare Prozessoren sind auch häufig bei FPGA Designs unverzichtbar. Diese sind zwar im Allgemeinen langsamer und weniger effizient als eine vollständige Implementation aus Logik-Primitiven -- aber auch deutlich
einfacher zu beherrschen. Insbesondere bei sequentiellen Aufgaben (Benutzerinterface, komplexe Steueraufgaben etc.) wird man gerne auf eine
klassische CPU zurückgreifen.

Manche FPGAs integrieren einem oder mehrere Prozessorkerne (z. B. [[AVR]] bei Atmels FPSLIC oder PowerPC bei Xilinx' Virtex-4) als ''HardCores'' auf einem IC.

Auf der anderen Seite gibt es auch ''SoftCores'' (z. B. ARM-Cortex-M1 bei IGLOO-FPGA von [http://www.actel.com ACTEL]), Prozessorkerne die als Quelltext oder als vor-synthetisierte Netzliste vorliegen. In Abhänigkeit von den zur Verfügung stehenden Resourcen können diese ''SoftCores'' beliebig instantiiert werden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener ''SoftCores'' --
Teilweise kompatibel zu etablierten Prozessorarchitekturen (MIPS, SPARC, AVR), zum Teil optimiert auf die FPGAs einzelner Hersteller. Auch auf vergleichsweise
kleine aktuelle FPGAs kann man problemlos eine 32bit-RISC-CPU integrieren.
Unter [[FPGA Soft Core]] findet man eine Liste einiger weit verbreiteter ''SoftCores''

Als Programmspeicher werden die FPGA-internen RAM-Blöcke oder externe Speicher-ICs (SDRAM, SRAM) genutzt. Für einige Prozessorkerne stehen Hochsprachen wie C, C++ etc. zur Verfügung, andere werden in Assembler programmiert.

== Eigenschaften ==
=== Geschwindigkeit ===
Die maximale „Geschwindigkeit“ eines FPGAs ist von der verwendeten Halbleitertechnologie (Prozess, Strukturgrößen), der internen Schaltungstopologie (Komplexität der LEs), Vorhandensein von harten Strukturen und vor allem vom Design abhängig. Dabei sind der sogenannte Datendurchsatz und die rein maximale Systemtaktfrequenz zu unterscheiden. Die erreichbare Taktfrequenz lässt sich ohne detaillierte Kenntnis des Designs nicht abschätzen, möglich sind je nach »Speed Grade« des ICs typischerweise Taktfrequenzen von 300-500 MHz für die Schaltgeschwindigkeit der reinen Logikelemente. Je nach der Anzahl und Komplexität der pro Takt durchzuführenden Operationen ergeben sich reale reale Systemtaktfrequenzen von meist 10-200 MHz. Maßgeblich ist, in wieweit das Design auf Fläche bzw. Geschwindigkeit hin optimiert und vom Tool synthetisiert wurde: Durch das Einbringen von zusätzlichen Registerstufen lassen sich z.B. zeitkritische Pfade entschärfen, sodass die Frequenz des Chips angehoben werden kann und der effektive Datendurchsatz trotz teilweise mehr CLKs zwischen Ein- und Ausgängen (Latenz) erhöht wird. Dieser lässt sich darüber hinaus durch die Nutzung paralleler Architekturen verbessern.

Die Systemfrequenz kann-, muss aber nicht der Frequenz entsprechen, mit der Daten zyklisch eingetaktet und verarbeitet werden; zudem sind Schaltungsteile mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu unterscheiden: Mit einem Systemtakt1 von 20 MHz lassen sich z.B. 18-Bit AD-Wandler auslesen, die so z.B. alle 1 µs neue Daten liefern, die verarbeitet werden müssen. Bei der Nutzung von 5 solchen Wandlern, die sequentiell verarbeitet werden, lägen 5 MHz Datenfrequenz vor. Für andere Schaltungsteile, die z.B. asynchron an die Peripherie andocken, sowie reine »state machines« können Schaltungsteile auf der 2-4 fachen Frequenz betrieben werden.

Generell sind Fläche und Geschwindigkeit konkurrierende Größen, zwischen denen ein Optimum gefunden werden muss. Für die preiswerten FPGA-Serien wie Spartan (Xilinx) und Cyclone (Altera) sind aufgrund technologischer Randbedingungen etwa 10-30% weniger Taktgeschwindigkeit bei gleichem Design zu erwarten, bzw. muss mit mehr Verbrauch an Logikelementen und Taktzyklen gerechnet werden (weniger Routingreserven, geringere Zahl von LUT-Eingängen, weniger hard-ressourcen).

Identische Chips werden oft in 2 oder mehr Geschwindigkeitsklassen angeboten, die sich meist durch Bauteilselektion bei der Produktion ergeben. Grob kann man ca. 5%-10% höhere Taktung zwischen zwei Speedgrades erwarten.

== Hersteller ==
Die größten Hersteller von FPGAs sind Altera und Xilinx. Weitere Hersteller sind Lattice, Actel und Atmel.

* [http://www.actel.com Actel]
* [http://www.altera.com Altera]
* [http://www.lattice.com Lattice]
* [http://www.xilinx.com Xilinx]

== Anwendung ==

Der Aufbau komplizierter, applikationsnaher Strukturen wird meist durch automatische Routing- und Synthesewerkzeuge erledigt, welche mit einer logischen, funktionellen Beschreibung der Architektur in einer Hardwarebeschreibungssprache wie z.B. VHDL "gefüttert" werden. Die Hardwarebeschreibung in VHDL gelingt ihrerseits z.B. mit VHDL-generierenden Werkzeugen, mittels derer zuvor Logikstrukturen, hardwarenahe Strukturen, Ablaufdiagramme und Zustandsautomaten formuliert wurden.

Durch die Standardisierung der Architektur einerseits und die Entkoppplung von applikationsorientierter Beschreibung sowie Chip- und Hersteller-spezifischer Synthese andererseits, wird die Hardware quasi als Software gebaut. Dies wiederum schafft alle Optionen der Wiederverwendung und Austausch von "Hardwareteilen". So stehen inzwischen komplett nutzbare Schaltungen wie serielle Bausteine, RAM-Controller und vieles mehr als Open Source zur Verfügung.

== Entwicklungsboards und Starterkits ==
=== Boards für Xilinx-FPGAs ===

{| border="1" class="sortable" id="fpgaevalboards"
|-
! Bezeichn.
! Preis (€)
! FPGA
! RAM (MByte)
! Flash (MByte)
! USB
! Ethernet
! RS-232
! µC
! Eingabe
! sonst.
|-
| [http://www.knjn.com/board_Xylo.html Xylo-L]
| 130
| XC3S500E
| -
| -
| 2.0
| 10base-T
| -
| LPC213x
| -
|
|-
| [http://www.xilinx.com/s3estarter Spartan3e Starter Kit]
| 180
| XC3S500E
| 64 MB DDR-SDRAM
| 16
| (JTAG)
| 10/100
| 2x
| -
| 4 Taster, 1 Drehgeber, 4 Schalter
| Coolrunner CPLD, LCD, 3-Bit VGA, PS/2
|-
| [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Nav1=Products&Nav2=Programmable&Prod=S3BOARD Digilent Spartan-3]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 1
| -
| -
| -
| 1x
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA, PS/2, 7seg
|-
| [[Digilent Nexys]]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 16
| 4
| 2.0
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| 7seg, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.uxibo.de Uxibo]
| 88
| XC2S200E
| -
| -
| 1.1
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA I/O, Videomux, dual PS/2, 7seg, Buzzer, IOs auf Pinleisten, dual-channel FTDI2232C, 48 MHz + prog. Oszillator, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.fpgaz.com/wiki/doku.php?id=fpgaz:usbp:hw FPGAz USBP]
| $135
| XC3S400
| -
| -
| 2.0
| -
| -
| Cypress FX2
| 2 Taster
| 8 LEDs, I2C-EEPROM
|-
| [http://www.cesys.com/fpga/spartan/efm01_de.html EFM 01] Embedded FPGA Modul
| ~173,-
| XC3S500E
| -
| 4
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| -
| 28 x 44mm, 50 I/O auf 2.54mm Stiftleiste, WIN und LINUX Treiber
|}

==== Raggedstone 1 - Spartan-3 Development PCI-Karte ====
* Spartan-3 FPGA FG456-Package
* 32 bit, 33 MHz, 3.3/5V PCI interface
* 4Mbit Flash Memory
* 16KBit serielles EEprom
* 4 x 7 Segment Anzeigen LED, abnehmbar
* LM75 Temperatursensor
* viele DIL-Header für eigene Erweiterungen, verschiedene werden auch durch Hersteller angeboten
* 2 Drucktaster
* Mit dem PCI-Interface kann bei entsprechender Programmierung des FPGA auf den PCI-Bus eines Hostrechners zugegriffen werden, Beispieldesign unter http://projects.varxec.net/raggedstone1
* Webseite: http://www.enterpoint.co.uk/moelbryn/raggedstone1.html
* Preis mit XC3S400 ca. €145,- (inkl MwSt.)
* Preis mit XC3S1500 ca. €255,- (inkl. MwSt.)

==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Xilinx-Version direkt mit ISE Webpack nutzbar
* Xilinx XC3S1000-4FG456C, wahlweise aber auch mit Altera EP1C12F324C8 (s.u.)
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Listenpreis $99,- Endpreis: ~150 Euro (inkl. MwSt. und Versand)

==== BurchED ====
http://www.burched.com/index.html
australischer Anbieter von Xilinx-Evaluationsboards
zur Zeit Webseite im Umbau

==== Trenz-Electronic ====
http://www.trenz-electronic.de/products.html
* Kleines FPGA Board mit ucLinux und Virtex-II PowerPC, optional: ucLinux und Microblaze Softprozessor im Spartan-3 FPGA
* Spartan-3 FPGA Mikromodul mit 200K bis 1000K Systemgattern
* Pal/Gal kompatible FPGA und CPLD Module

==== Simple-Solutions ====
http://www.simple-solutions.de/de/products/index.php
Mehrere Spartan3-FPGAs - Boards

==== CESYS ====
http://www.cesys.com

Cesys ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Verschiedene FPGA boards mit USB, PCI und PCIe Schnittstellen im Lieferprogramm
* Je nach Ausführung mit Spartan-2/3/3E, Virtex2/2PRO/4
* verschiedene Speicherkonfigurationen (SO-DIMM, SRAM, SDRAM, DDR2)

=== Boards für Altera-FPGAs ===
==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* * Wahlweise mit Altera EP1C12F324C8 oder Xilinx XC3S1000-4FG456C
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Endpreis: ~150 Euro (inkl. MwSt. und Versand)

==== Terasic TREX C1 Multimedia Development Kit ====
* Altera EP1C6Q240C8 & EP1S Serial Configuration Device
* Built-in USB Blaster programming circuitry (JTAG and AS mode)
* 1 MiB Flash Memory & 8 MiB SDRAM (1M x 4 x 16)
* CF Card Socket, 16-bit CD-quality Audio DAC
* TV Encoder, VGA, RS-232, PS/2, and more
* Many reference designs and C++ applications
* [http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=39&No=14 www.terasic.com.tw]
* fertiger Core eines CPC6128 (8-Bit Homecomputer von 1984) für dieses Board, inlusive Sourcecode (eigener Z80 in AHDL, mit 24MHz eingesetzt): [http://www.symbos.de/trex.htm http://www.symbos.de/trex.htm]
* Listenpreis $149,-

==== Altera Cyclone II 2C20 ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C7N FPGA mit 20000 LEs
* USB-BlasterTM download cable (integriert)
* EPCS4 serial configuration Flash
* 8-Mbyte SDRAM, 512-Kb SRAM, 4-Mbyte flash
* externer SMA - Clock-Eingang
* 24-bit Audio coder/decoder (CODEC)
* 10 Schalter, 4 Druckknöpfe inkl Reset
* 4St. 7-Segmentanzeigen, 10 rote LEDs + 8 grüne LEDs
* VGA, RS-232, and PS/2 Stecker
* Zwei 40-pin expansion ports + SD/MMC socket
* USB-Kabel, externes Steckernetztteil, CD-Rom
* Reference designs
* Qartus II Web Edition + NIOS II Web Edition
* http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html
* Listenpreis $150,-

==== Hpe Mini AC II - Altera Cyclone board von Gleichmann Research ====
* Altera Cyclone II EP2C35 FPGA (speed grade 6)
* Mit reprogrammierbarem Flash zur automatischen FPGA-Konfiguration
* 25 pin SUB-D connector (parallel) für direktes FPGA-Programmieren
* RS232 (9 pin SUB-D)
* VGA (15 pin SUB-D) mit 64 möglichen Farben
* Ethernet 10/100 Mbit/s, full/half duplex
* 1 USB 2.0 compatible full-speed target connector
* 3 USB 2.0 compatible full-speed host connectors
* Santa Cruz connector mit 40 nutzbaren I/Os
* Audio interface (line-in and line-out) mit CODEC
* SODIMM144 Sockel für (SDRAM) 256MB
* SDRAM-Speichersockel mit nur 32-Bit angebunden, die Hälfte des Speichers bleibt nicht nutzbar
* 25 MHz oscillator
* Prototyping area, Lötfläche
* 8 LEDs, grün, blau, 3x4 key matrix, 4-bit DIP switch
* LCD connector, 2-character 7-segment display
* Single step Knopf und Reset Knopf
* Parallelportkabel für PC
* Beispieldesign, Testprogramme, Datenblätter
* LEON3-CPU Design inkl. Source Code, Quartus IDE, SnapGear Linux
* Je nach Ausführung des Flashs €399,- bis €499,-

==== Altera DE2 - Development and Education Board ====
* Altera Cyclone II 2C35 FPGA mit 35000 LEs
* Altera Serial Configuration devices (EPCS16) für Cyclone II 2C35
* USB Blaster board zur Programmierung und User API
* 8 MB SDRAM, 4 MB Flash Memory, 512KB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, Ethernet, 10-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player)
* [http://wwwab.fh-wedel.de/bause/handouts/vhdl/VhdlEinfuehrung.pdf Kleines aber nettes Tutorial zum Altera DE2 Dev. Board]
* Listenpreis US $495,-

==== Cyclone III embedded Development Kit====
* Altera Cyclone III EP3C25 FPGA
* 640x480 LCD Display mit touch screen function
* MiniSD-Card Sockel
* Audio Interface ADC CODEC
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstelle
* FPGA-Konfiguration über USB
* NIOS II EVAL Lizenz
* IP LIB Altera
* Listenpreis US $495,- ueber ALtera Webseite
* Bei EBV €349,- inkl. MwSt.

==== Cyclone II EP2C35 Entwicklungsboard ====
* Altera Cyclone II EP2C35-F672C8 FPGA mit 33.216 LEs
* Insgesamt 172 I/Os exklusiv verfügbar
* Bis zu 256 MByte SDRAM (SODIMM Speichermodul, 64-Bit Busanbindung)
* 16 MByte Flash (16-Bit Busanbindung)
* MiniSD-Card Sockel
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstellenkontroller
* USB 2.0 high speed (480 Mbit) Schnittstellenkontroller
* FPGA-Konfiguration über USB
* Abmessungen: 96mm x 68mm
* Kompatibel mit der frei verfügbaren Altera Entwicklungssoftware
* http://www.fpga-dev.de/index.php?site=ep2c35_beschreibung
* wird in regelmässigen Abständen für 149,- Euro über ebay vertrieben (einfach nach "altera cyclone" suchen)

==== NanoBoard-NB1 von Altium ====
* kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Unterstützt eine breite Palette von Ziel-FPGAs durch Aufsteckplatinen
* Altera Cyclone (EP1C12-Q240C7) Aufsteckplatine enthalten
* Xilinx Spartan IIE (XC2S300E-PQ208) im Lieferumfang enthalten
* Enthält Stromversorgung mit verschiedenen Steckern für unterschiedliche Konfigurationen
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* NanoBoard-NB1 Reference-Handbuch zur Hardware
* Peripherie: LCD, LEDs, Dip-Schalter, Tastenblock, Summer, ADC/DAC, 256K x 8 RAM, 8 MiB Serial Flash RAM, on-board Serial Flash RAM für FPGA-Konfig.
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, CAN, VGA, I2C, IO Stecker für allg. Zwecke
* Upgradefähige NanoBoard Controller Firmware
* Stabiler NanoBard-Sockel
* Listenpreis €995,-
=== Debugging-Hilfen ===
Gerade beim [[Debugging]] größerer FPGA-Designs ist es oft notwendig, auf interne Signale und Busse zuzugreifen, die aus routing- oder Platzgründen nicht an Pins des FPGAs gelegt - und mit konventionellen Analysatoren beobachtet werden können. Nebst den einschlägigen Tools der Hersteller, welche Signal probing über JTAG gestatten (z.B. ChipsScope und SignalTap), werden in FPGAs oft mehr oder weniger komplexe [[Logic Analyzer]] integriert, welche die internen Signale in vielfältiger Weise aufzeichnen. Diese werden in Block-RAMs oder FIFOs gespeichert und durch externe Master ausgelesen. Hier kommen auf der Platine befindliche MCUs oder fremd zugreifende FPGAs / CPUs in Betracht, welche über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen (seriell, parallel, LVDS) angeschlossen sind. Dazu werden in die FPGAs entsprechende Cores / Treiber eininstanziiert.

Nachfolgend einige Beispiele:

====Proprietärer serieller Logic Analyzer ====

Die einfachste Möglichkeit ist die direkte Instanziierung eines Blockrams als FIFO mit "breitem" Busanschluss: Linksseitig besitzt das FIFO eine Breite von z.B. 256 Bit (Xilinx-Rams lassen sich ohne weitere Umbeschaltung über den Wizzard mit bis zu 1024 Bits deklarieren und nutzen). Rechtsseitig einen 16- oder 32 Bit breiten Busanschluss für einen Prozessor bzw Parallelinterface oder einen 1 Bit breiten Anschluss für ein serielles streaming interface. Mit einem FiFo-enable können die zu sampelnden Zeiten (Busphasen) festgelegt werden, z.B. anhand eines Kriteriums wie die Erfüllung einer bestimmten mathematischen Bedingung, die man in VHDL formuliert, oder es wird einfach ein Trigger gesetzt. Solange das FiFo nicht voll ist, kann geschrieben werden, was durch die interne FiFo-Verwaltung selbst bereits komplett geregelt wird.

Beim einfachen seriellen Logic Analyzer benötigt man nur noch einen kleinen Core, der permanent das FiFo liest, und den seriellen Overhead (Startbit, Stoppbit, Parity und gfs CRC) hinzufügt. Mit einem einfach Pegelwandler kann so ein PC direkt angeschlossen werden.

Auch denkbar ist die Anbindung an ein fremdes FPGA-board mit viel Speicher über (LV-)DS-Kommunikation. In komplexeren Systemen wird ein CAN- oder USB-Core eingesetzt.

Wenn mittels des Kriteriums nur ganz bestimmte kritische Phasen herausgesampelt werden (z.B. das Auftauchen eines bestimmten Rechenfehlers im FPGA) und so das Datenaufkommen je Zeiteinheit über längere Zeit betrachtet eher gering ist, kann bei geeignetem Datendurchsatz in Echtzeit dauerhaft mitprotokolliert werden.

==== BusProbe, der Debugging Core von abaxor engineering ====
Mit der BusProbe kann der Entwickler den Signalfluss im FPGA-Design auch über einen längeren Zeitraum überwachen und am PC aufzeichnen. Der Core verarbeitet an jedem Eingang einen kompletten Bus.

Die Daten werden gemultiplext zum PC geschickt und dort per Software demultiplext. Im PC erfolgt auch die Auswertung mit beliebigen Analyse-Tools.

Gegenüber dem Betriebssystem verhält sich die BusProbe wie eine Festplatte, von der die Daten mit gewöhnlichen Zugriffen gelesen werden können.

* Streaming der Daten zum PC mit mehr als 20 MByte/s
* keine Treiber im PC da Nutzung von Standardschnittstellen (USB oder IDE)
* Hot-Pluging
* Visualisierung mit beliebigen Programmen
* geringer Logikaufwand

[http://www.abaxor.de/produkte.html abaxor.de-Webseite]

==== open source Logikanalysator von sump.org====
Ein einfacher, übersichtlicher Logikanalysator findet sich auf sump.org. Er liegt im Quelltext vor wird mit ins Design einsynthetisiert. Als Speicher dient wahlweise SRAM oder intern RAM. Es können 32 Kanäle mit 100 MHz (oder weniger) gesampelt werden. Die Bediensoftware läuft platformunabhängig unter Java und benötigt eine serielle Schnittstelle (auch über USB-seriell Wandler) zum Core.

[http://de.sump.org/projects/analyzer/ sump.org-Webseite]

== Siehe auch ==
* [[Hardwarebeschreibungssprachen]]
* [[Reset für FPGA/CPLD]]
* [[Taktung FPGA/CPLD]]
* Projekt [[Audio-DSP mit Spartan 3-FPGA]]

== Weblinks ==
* [http://www.fpga4fun.com/index.html FPGA4Fun] - FPGA-Projekte, größtenteils mit Altera und Verilog
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-4969729965240981475 Ein Vortrag, auf Englisch: General Purpose, Low Power Supercomputing Using Reconfiguration Logic]
* http://www.opencores.org - FPGA-Projekte, Opensource, jeder kann seine Eigenen einstellen und an anderen mitarbeiten. U.a. gibt es verschiedene CPUs für FPGAs.
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm John's FPGA Page]
* [http://www.embedded.com/columns/whatsnew/197003073 More about designing with embedded FPGAs] by Bernard Cole, Embedded.com

[[Category:FPGA und Co]]

FPGA

2009-02-25T13:17:20Z

192.251.226.205:

FPGA ist die Abkürzung für "'''F'''ield '''P'''rogrammable '''G'''ate '''A'''rray".

== Aufbau ==

=== I/O Anschlüsse ===
FPGAs unterstützen als universal einsetzbare Digital-ICs eine Vielzahl von Signalstandards. Üblich sind verschiedene TTL-Pegel (5V, 3,3V, 2,5V), differentielle Signalstandards (LVDS, GTL) und im Hochpreisbereich serielle Standards bis zu 4 Gbps. Oftmals sind weitere Eigenschaften wie Treiberstärke und Flankensteilheit für jeden benutzerdefinierbaren Anschluss (User-IO) einstellbar. Meist sind die Pins zu Bänken mit gleichem I/O Standard zusammengefasst. Innerhalb einer solchen Bank arbeiten alle Pins im gleichen I/O Standard und mit der selben I/O Spannung (H-Pegel).

Ebenso können FPGA-interne Pull-Up und Pull-Down-Widerstände zugeschaltet werden, Terminierung wird ebenfalls unterstützt. Zudem befinden sich hinter vielen IO-Pads sog. [[boundary scan]] Zellen.

Das I/O Verhalten wird mit den IO-Constraints in einem setting-File (Xilinx *.ucf, Altera *.acf, Lattice *.lpf) festgelegt. Alternativ können diese auch als Syntheseoption im Kommentarfeld des Verilog/VHDL Codes mit angegeben werden.

Einige Pins übernehmen besondere Funktionen und sind somit vom Anwender nicht uneingeschränkt oder z.T. auch gar nicht nutzbar. Darzu zählen neben der JTAG-Schnittstelle z.B. die Pins zum Einlesen der Konfigurationsdaten.

Ferner sind einige wenige Pins (2 - 8) zum Einspeisen des Taktes für das Design vorgesehen. Für schnelle Schaltung müssen diese reserviertern Pins benutzt werden.

Die Hersteller bieten FPGAs mit gleicher Anzahl von Logikelementen in unterschiedlichen Gehäusen an. So kann der FPGA mit der passenden Anzahl von Pins eingesetzt werden. Das obere Ende markieren Chips mit über 1000 I/Os, die kleinsten bieten ca. 80 User-I/O. Oft werden nur BGA und QFP Gehäuse (bis ca. 240(?) Pins) angeboten.

=== Komplexere Blöcke (Multiplizierer, RAM, PLL/DLL) ===
Neben den einfachen Flip-Flops beinhalten FPGAs darüber hinaus komplexe Routing- und Speicherkonfigurationsoptionen innerhalb und außerhalb der logischen Elemente (LEs), die es gestatten, komplexe Schalt- und Rechenstrukturen aufzubauen. Für rechenintensive Designs, z.B. in der Signalverarbeitung, enthalten viele FPGAs Multiplizierer direkt auf dem Chip, die in einem einzigen Taktzyklus Multiplikationen durchführen können.

Ferner haben FPGAs oft einen von den LEs getrennt verfügbaren RAM-Bereich integriert, der sich in vielfältiger Weise ansprechen lässt. So können damit Single- oder Dualport-RAMs mit variabler Bitbreite erzeugt werden. Üblich sind mehrere (4 - 30) kleinere Dualport RAM-Blöcke von 4 - 16 kbit. Einige Familien besitzen einen größeren internen RAM, andere spezielle FIFO-Blöcke.

Zur Generierung spezieller Takte sind PLL-Komponenten (phase locked loop) auf dem FPGA integriert. Einige Hersteller setzen mit dem selben Ziel DLL-Blöcke (delay locked loop) ein. Mittels dieser Blöcke können aus einem Taktsignal weitere erzeugt werden. Typisch sind Taktverdopplung oder -vervielfachung. Ebenso kann der Takt geteilt werden oder ein Signal gleicher Frequenz, aber um eine halbe, viertel usw. Periode verschoben erzeugt werden. Typische Anwendungen sind die Ansteuerung von DDR-RAMs oder die Kompensation von Laufzeitunterschieden zwischen Takt und mit diesem getakteten Steuersignalen. Meist sind 2 - 8 Taktnetzwerke und PLL/DLLs gleicher Anzahl integriert. Siehe auch [[Taktung FPGA/CPLD]].

=== CPU im FPGA ===

Programmierbare Prozessoren sind auch häufig bei FPGA Designs unverzichtbar. Diese sind zwar im Allgemeinen langsamer und weniger effizient als eine vollständige Implementation aus Logik-Primitiven -- aber auch deutlich
einfacher zu beherrschen. Insbesondere bei sequentiellen Aufgaben (Benutzerinterface, komplexe Steueraufgaben etc.) wird man gerne auf eine
klassische CPU zurückgreifen.

Manche FPGAs integrieren einem oder mehrere Prozessorkerne (z. B. [[AVR]] bei Atmels FPSLIC oder PowerPC bei Xilinx' Virtex-4) als ''HardCores'' auf einem IC.

Auf der anderen Seite gibt es auch ''SoftCores'' (z. B. ARM-Cortex-M1 bei IGLOO-FPGA von [http://www.actel.com ACTEL]), Prozessorkerne die als Quelltext oder als vor-synthetisierte Netzliste vorliegen. In Abhänigkeit von den zur Verfügung stehenden Resourcen können diese ''SoftCores'' beliebig instantiiert werden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener ''SoftCores'' --
Teilweise kompatibel zu etablierten Prozessorarchitekturen (MIPS, SPARC, AVR), zum Teil optimiert auf die FPGAs einzelner Hersteller. Auch auf vergleichsweise
kleine aktuelle FPGAs kann man problemlos eine 32bit-RISC-CPU integrieren.
Unter [[FPGA Soft Core]] findet man eine Liste einiger weit verbreiteter ''SoftCores''

Als Programmspeicher werden die FPGA-internen RAM-Blöcke oder externe Speicher-ICs (SDRAM, SRAM) genutzt. Für einige Prozessorkerne stehen Hochsprachen wie C, C++ etc. zur Verfügung, andere werden in Assembler programmiert.

== Eigenschaften ==
=== Geschwindigkeit ===
Die maximale „Geschwindigkeit“ eines FPGAs ist von der verwendeten Halbleitertechnologie (Prozess, Strukturgrößen), der internen Schaltungstopologie (Komplexität der LEs), Vorhandensein von harten Strukturen und vor allem vom Design abhängig. Dabei sind der sogenannte Datendurchsatz und die rein maximale Systemtaktfrequenz zu unterscheiden. Die erreichbare Taktfrequenz lässt sich ohne detaillierte Kenntnis des Designs nicht abschätzen, möglich sind je nach »Speed Grade« des ICs typischerweise Taktfrequenzen von 300-500 MHz für die Schaltgeschwindigkeit der reinen Logikelemente. Je nach der Anzahl und Komplexität der pro Takt durchzuführenden Operationen ergeben sich reale reale Systemtaktfrequenzen von meist 10-200 MHz. Maßgeblich ist, in wieweit das Design auf Fläche bzw. Geschwindigkeit hin optimiert und vom Tool synthetisiert wurde: Durch das Einbringen von zusätzlichen Registerstufen lassen sich z.B. zeitkritische Pfade entschärfen, sodass die Frequenz des Chips angehoben werden kann und der effektive Datendurchsatz trotz teilweise mehr CLKs zwischen Ein- und Ausgängen (Latenz) erhöht wird. Dieser lässt sich darüber hinaus durch die Nutzung paralleler Architekturen verbessern.

Die Systemfrequenz kann-, muss aber nicht der Frequenz entsprechen, mit der Daten zyklisch eingetaktet und verarbeitet werden; zudem sind Schaltungsteile mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu unterscheiden: Mit einem Systemtakt1 von 20 MHz lassen sich z.B. 18-Bit AD-Wandler auslesen, die so z.B. alle 1 µs neue Daten liefern, die verarbeitet werden müssen. Bei der Nutzung von 5 solchen Wandlern, die sequentiell verarbeitet werden, lägen 5 MHz Datenfrequenz vor. Für andere Schaltungsteile, die z.B. asynchron an die Peripherie andocken, sowie reine »state machines« können Schaltungsteile auf der 2-4 fachen Frequenz betrieben werden.

Generell sind Fläche und Geschwindigkeit konkurrierende Größen, zwischen denen ein Optimum gefunden werden muss. Für die preiswerten FPGA-Serien wie Spartan (Xilinx) und Cyclone (Altera) sind aufgrund technologischer Randbedingungen etwa 10-30% weniger Taktgeschwindigkeit bei gleichem Design zu erwarten, bzw. muss mit mehr Verbrauch an Logikelementen und Taktzyklen gerechnet werden (weniger Routingreserven, geringere Zahl von LUT-Eingängen, weniger hard-ressourcen).

Identische Chips werden oft in 2 oder mehr Geschwindigkeitsklassen angeboten, die sich meist durch Bauteilselektion bei der Produktion ergeben. Grob kann man ca. 5%-10% höhere Taktung zwischen zwei Speedgrades erwarten.

== Hersteller ==
Die größten Hersteller von FPGAs sind Altera und Xilinx. Weitere Hersteller sind Lattice, Actel und Atmel.

* [http://www.actel.com Actel]
* [http://www.altera.com Altera]
* [http://www.lattice.com Lattice]
* [http://www.xilinx.com Xilinx]

== Anwendung ==

Der Aufbau komplizierter, applikationsnaher Strukturen wird meist durch automatische Routing- und Synthesewerkzeuge erledigt, welche mit einer logischen, funktionellen Beschreibung der Architektur in einer Hardwarebeschreibungssprache wie z.B. VHDL "gefüttert" werden. Die Hardwarebeschreibung in VHDL gelingt ihrerseits z.B. mit VHDL-generierenden Werkzeugen, mittels derer zuvor Logikstrukturen, hardwarenahe Strukturen, Ablaufdiagramme und Zustandsautomaten formuliert wurden.

Durch die Standardisierung der Architektur einerseits und die Entkoppplung von applikationsorientierter Beschreibung sowie Chip- und Hersteller-spezifischer Synthese andererseits, wird die Hardware quasi als Software gebaut. Dies wiederum schafft alle Optionen der Wiederverwendung und Austausch von "Hardwareteilen". So stehen inzwischen komplett nutzbare Schaltungen wie serielle Bausteine, RAM-Controller und vieles mehr als Open Source zur Verfügung.

== Entwicklungsboards und Starterkits ==
=== Boards für Xilinx-FPGAs ===

{| border="1" class="sortable" id="fpgaevalboards"
|-
! Bezeichn.
! Preis (€)
! FPGA
! RAM (MByte)
! Flash (MByte)
! USB
! Ethernet
! RS-232
! µC
! Eingabe
! sonst.
|-
| [http://www.knjn.com/board_Xylo.html Xylo-L]
| 130
| XC3S500E
| -
| -
| 2.0
| 10base-T
| -
| LPC213x
| -
|
|-
| [http://www.xilinx.com/s3estarter Spartan3e Starter Kit]
| 180
| XC3S500E
| 64 MB DDR-SDRAM
| 16
| (JTAG)
| 10/100
| 2x
| -
| 4 Taster, 1 Drehgeber, 4 Schalter
| Coolrunner CPLD, LCD, 3-Bit VGA, PS/2
|-
| [http://www.digilentinc.com/Products/Detail.cfm?Nav1=Products&Nav2=Programmable&Prod=S3BOARD Digilent Spartan-3]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 1
| -
| -
| -
| 1x
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA, PS/2, 7seg
|-
| [[Digilent Nexys]]
| 100
| XC3S200/400/1000
| 16
| 4
| 2.0
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| 7seg, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.uxibo.de Uxibo]
| 88
| XC2S200E
| -
| -
| 1.1
| -
| -
| -
| 4 Taster, 8 Schalter
| VGA I/O, Videomux, dual PS/2, 7seg, Buzzer, IOs auf Pinleisten, dual-channel FTDI2232C, 48 MHz + prog. Oszillator, Programmierung & Stromversorgung über USB
|-
| [http://www.fpgaz.com/wiki/doku.php?id=fpgaz:usbp:hw FPGAz USBP]
| $135
| XC3S400
| -
| -
| 2.0
| -
| -
| Cypress FX2
| 2 Taster
| 8 LEDs, I2C-EEPROM
|-
| [http://www.cesys.com/fpga/spartan/efm01_de.html EFM 01] Embedded FPGA Modul
| ~173,-
| XC3S500E
| -
| 4
| 2.0
| -
| -
| FX-2
| -
| 28 x 44mm, 50 I/O auf 2.54mm Stiftleiste, WIN und LINUX Treiber
|}

==== Raggedstone 1 - Spartan-3 Development PCI-Karte ====
* Spartan-3 FPGA FG456-Package
* 32 bit, 33 MHz, 3.3/5V PCI interface
* 4Mbit Flash Memory
* 16KBit serielles EEprom
* 4 x 7 Segment Anzeigen LED, abnehmbar
* LM75 Temperatursensor
* viele DIL-Header für eigene Erweiterungen, verschiedene werden auch durch Hersteller angeboten
* 2 Drucktaster
* Mit dem PCI-Interface kann bei entsprechender Programmierung des FPGA auf den PCI-Bus eines Hostrechners zugegriffen werden, Beispieldesign unter http://projects.varxec.net/raggedstone1
* Webseite: http://www.enterpoint.co.uk/moelbryn/raggedstone1.html
* Preis mit XC3S400 ca. €145,- (inkl MwSt.)
* Preis mit XC3S1500 ca. €255,- (inkl. MwSt.)

==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Xilinx-Version direkt mit ISE Webpack nutzbar
* Xilinx XC3S1000-4FG456C, wahlweise aber auch mit Altera EP1C12F324C8 (s.u.)
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Listenpreis $99,- Endpreis: ~150 Euro (inkl. MwSt. und Versand)

==== BurchED ====
http://www.burched.com/index.html
australischer Anbieter von Xilinx-Evaluationsboards
zur Zeit Webseite im Umbau

==== Trenz-Electronic ====
http://www.trenz-electronic.de/products.html
* Kleines FPGA Board mit ucLinux und Virtex-II PowerPC, optional: ucLinux und Microblaze Softprozessor im Spartan-3 FPGA
* Spartan-3 FPGA Mikromodul mit 200K bis 1000K Systemgattern
* Pal/Gal kompatible FPGA und CPLD Module

==== Simple-Solutions ====
http://www.simple-solutions.de/de/products/index.php
Mehrere Spartan3-FPGAs - Boards

==== CESYS ====
http://www.cesys.com

Cesys ist Entwickler und Hersteller von FPGA-boards mit Sitz in Deutschland.

* Verschiedene FPGA boards mit USB, PCI und PCIe Schnittstellen im Lieferprogramm
* Je nach Ausführung mit Spartan-2/3/3E, Virtex2/2PRO/4
* verschiedene Speicherkonfigurationen (SO-DIMM, SRAM, SDRAM, DDR2)

=== Boards für Altera-FPGAs ===
==== LiveDesign Evaluation Board von Altium ====
* Kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* * Wahlweise mit Altera EP1C12F324C8 oder Xilinx XC3S1000-4FG456C
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung (Druckerport) sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* Peripherie: LEDs, Dip-Schalter, 6-stellige Siebensegmentanzeige, Taster, Stereo-DAC, zwei 256K x 16 RAMs
* ''kein'' on-board Flash RAM für FPGA-Konfiguration, diese muss nach dem Einschalten neu geladen werden
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, VGA (512 Farben), 2x18 IO-Pins für allgemeine Zwecke
* Endpreis: ~150 Euro (inkl. MwSt. und Versand)

==== Terasic TREX C1 Multimedia Development Kit ====
* Altera EP1C6Q240C8 & EP1S Serial Configuration Device
* Built-in USB Blaster programming circuitry (JTAG and AS mode)
* 1 MiB Flash Memory & 8 MiB SDRAM (1M x 4 x 16)
* CF Card Socket, 16-bit CD-quality Audio DAC
* TV Encoder, VGA, RS-232, PS/2, and more
* Many reference designs and C++ applications
* [http://www.terasic.com.tw/cgi-bin/page/archive.pl?Language=English&CategoryNo=39&No=14 www.terasic.com.tw]
* fertiger Core eines CPC6128 (8-Bit Homecomputer von 1984) für dieses Board, inlusive Sourcecode (eigener Z80 in AHDL, mit 24MHz eingesetzt): [http://www.symbos.de/trex.htm http://www.symbos.de/trex.htm]
* Listenpreis $149,-

==== Altera Cyclone II 2C20 ====
* Altera Cyclone II EP2C20F484C7N FPGA mit 20000 LEs
* USB-BlasterTM download cable (integriert)
* EPCS4 serial configuration Flash
* 8-Mbyte SDRAM, 512-Kb SRAM, 4-Mbyte flash
* externer SMA - Clock-Eingang
* 24-bit Audio coder/decoder (CODEC)
* 10 Schalter, 4 Druckknöpfe inkl Reset
* 4St. 7-Segmentanzeigen, 10 rote LEDs + 8 grüne LEDs
* VGA, RS-232, and PS/2 Stecker
* Zwei 40-pin expansion ports + SD/MMC socket
* USB-Kabel, externes Steckernetztteil, CD-Rom
* Reference designs
* Qartus II Web Edition + NIOS II Web Edition
* http://www.altera.com/products/devkits/altera/kit-cyc2-2C20N.html
* Listenpreis $150,-

==== Hpe Mini AC II - Altera Cyclone board von Gleichmann Research ====
* Altera Cyclone II EP2C35 FPGA (speed grade 6)
* Mit reprogrammierbarem Flash zur automatischen FPGA-Konfiguration
* 25 pin SUB-D connector (parallel) für direktes FPGA-Programmieren
* RS232 (9 pin SUB-D)
* VGA (15 pin SUB-D) mit 64 möglichen Farben
* Ethernet 10/100 Mbit/s, full/half duplex
* 1 USB 2.0 compatible full-speed target connector
* 3 USB 2.0 compatible full-speed host connectors
* Santa Cruz connector mit 40 nutzbaren I/Os
* Audio interface (line-in and line-out) mit CODEC
* SODIMM144 Sockel für (SDRAM) 256MB
* SDRAM-Speichersockel mit nur 32-Bit angebunden, die Hälfte des Speichers bleibt nicht nutzbar
* 25 MHz oscillator
* Prototyping area, Lötfläche
* 8 LEDs, grün, blau, 3x4 key matrix, 4-bit DIP switch
* LCD connector, 2-character 7-segment display
* Single step Knopf und Reset Knopf
* Parallelportkabel für PC
* Beispieldesign, Testprogramme, Datenblätter
* LEON3-CPU Design inkl. Source Code, Quartus IDE, SnapGear Linux
* Je nach Ausführung des Flashs €399,- bis €499,-

==== Altera DE2 - Development and Education Board ====
* Altera Cyclone II 2C35 FPGA mit 35000 LEs
* Altera Serial Configuration devices (EPCS16) für Cyclone II 2C35
* USB Blaster board zur Programmierung und User API
* 8 MB SDRAM, 4 MB Flash Memory, 512KB SRAM
* SD Card Sockel, RS-232, Ethernet, 10-bit VGA, 24-bit Audio CODEC
* TV Decoder (NTSC/PAL), IrDA, USB (Host + Slave)
* Viele Besipiel mit Source Code wie TV, SD Music Player)
* [http://wwwab.fh-wedel.de/bause/handouts/vhdl/VhdlEinfuehrung.pdf Kleines aber nettes Tutorial zum Altera DE2 Dev. Board]
* Listenpreis US $495,-

==== Cyclone III embedded Development Kit====
* Altera Cyclone III EP3C25 FPGA
* 640x480 LCD Display mit touch screen function
* MiniSD-Card Sockel
* Audio Interface ADC CODEC
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstelle
* FPGA-Konfiguration über USB
* NIOS II EVAL Lizenz
* IP LIB Altera
* Listenpreis US $495,- ueber ALtera Webseite
* Bei EBV €349,- inkl. MwSt.

==== Cyclone II EP2C35 Entwicklungsboard ====
* Altera Cyclone II EP2C35-F672C8 FPGA mit 33.216 LEs
* Insgesamt 172 I/Os exklusiv verfügbar
* Bis zu 256 MByte SDRAM (SODIMM Speichermodul, 64-Bit Busanbindung)
* 16 MByte Flash (16-Bit Busanbindung)
* MiniSD-Card Sockel
* 10/100 Mbit Fast Ethernet Schnittstellenkontroller
* USB 2.0 high speed (480 Mbit) Schnittstellenkontroller
* FPGA-Konfiguration über USB
* Abmessungen: 96mm x 68mm
* Kompatibel mit der frei verfügbaren Altera Entwicklungssoftware
* http://www.fpga-dev.de/index.php?site=ep2c35_beschreibung
* wird in regelmässigen Abständen für 149,- Euro über ebay vertrieben (einfach nach "altera cyclone" suchen)

==== NanoBoard-NB1 von Altium ====
* kompatibel mit den LiveDesign-fähigen Entwicklungstools von Altium
* Unterstützt eine breite Palette von Ziel-FPGAs durch Aufsteckplatinen
* Altera Cyclone (EP1C12-Q240C7) Aufsteckplatine enthalten
* Xilinx Spartan IIE (XC2S300E-PQ208) im Lieferumfang enthalten
* Enthält Stromversorgung mit verschiedenen Steckern für unterschiedliche Konfigurationen
* Mit Flachbandkabel für PC-Verbindung sowie weiteren Kabeln und Verbindern
* NanoBoard-NB1 Reference-Handbuch zur Hardware
* Peripherie: LCD, LEDs, Dip-Schalter, Tastenblock, Summer, ADC/DAC, 256K x 8 RAM, 8 MiB Serial Flash RAM, on-board Serial Flash RAM für FPGA-Konfig.
* Ports: PS2-Maus & -Tastatur, RS232, CAN, VGA, I2C, IO Stecker für allg. Zwecke
* Upgradefähige NanoBoard Controller Firmware
* Stabiler NanoBard-Sockel
* Listenpreis €995,-
=== Debugging-Hilfen ===
Gerade beim [[Debugging]] größerer FPGA-Designs ist es oft notwendig, auf interne Signale und Busse zuzugreifen, die aus routing- oder Platzgründen nicht an Pins des FPGAs gelegt - und mit konventionellen Analysatoren beobachtet werden können. Nebst den einschlägigen Tools der Hersteller, welche Signal probing über JTAG gestatten (z.B. ChipsScope und SignalTap), werden in FPGAs oft mehr oder weniger komplexe [[Logic Analyzer]] integriert, welche die internen Signale in vielfältiger Weise aufzeichnen. Diese werden in Block-RAMs oder FIFOs gespeichert und durch externe Master ausgelesen. Hier kommen auf der Platine befindliche MCUs oder fremd zugreifende FPGAs / CPUs in Betracht, welche über unterschiedliche Kommunikationsverbindungen (seriell, parallel, LVDS) angeschlossen sind. Dazu werden in die FPGAs entsprechende Cores / Treiber eininstanziiert.

Nachfolgend einige Beispiele:

====Proprietärer serieller Logic Analyzer ====

Die einfachste Möglichkeit ist die direkte Instanziierung eines Blockrams als FIFO mit "breitem" Busanschluss: Linksseitig besitzt das FIFO eine Breite von z.B. 256 Bit (Xilinx-Rams lassen sich ohne weitere Umbeschaltung über den Wizzard mit bis zu 1024 Bits deklarieren und nutzen). Rechtsseitig einen 16- oder 32 Bit breiten Busanschluss für einen Prozessor bzw Parallelinterface oder einen 1 Bit breiten Anschluss für ein serielles streaming interface. Mit einem FiFo-enable können die zu sampelnden Zeiten (Busphasen) festgelegt werden, z.B. anhand eines Kriteriums wie die Erfüllung einer bestimmten mathematischen Bedingung, die man in VHDL formuliert, oder es wird einfach ein Trigger gesetzt. Solange das FiFo nicht voll ist, kann geschrieben werden, was durch die interne FiFo-Verwaltung selbst bereits komplett geregelt wird.

Beim einfachen seriellen Logic Analyzer benötigt man nur noch einen kleinen Core, der permanent das FiFo liest, und den seriellen Overhead (Startbit, Stoppbit, Parity und gfs CRC) hinzufügt. Mit einem einfach Pegelwandler kann so ein PC direkt angeschlossen werden.

Auch denkbar ist die Anbindung an ein fremdes FPGA-board mit viel Speicher über (LV-)DS-Kommunikation. In komplexeren Systemen wird ein CAN- oder USB-Core eingesetzt.

Wenn mittels des Kriteriums nur ganz bestimmte kritische Phasen herausgesampelt werden (z.B. das Auftauchen eines bestimmten Rechenfehlers im FPGA) und so das Datenaufkommen je Zeiteinheit über längere Zeit betrachtet eher gering ist, kann bei geeignetem Datendurchsatz in Echtzeit dauerhaft mitprotokolliert werden.

==== BusProbe, der Debugging Core von abaxor engineering ====
Mit der BusProbe kann der Entwickler den Signalfluss im FPGA-Design auch über einen längeren Zeitraum überwachen und am PC aufzeichnen. Der Core verarbeitet an jedem Eingang einen kompletten Bus.

Die Daten werden gemultiplext zum PC geschickt und dort per Software demultiplext. Im PC erfolgt auch die Auswertung mit beliebigen Analyse-Tools.

Gegenüber dem Betriebssystem verhält sich die BusProbe wie eine Festplatte, von der die Daten mit gewöhnlichen Zugriffen gelesen werden können.

* Streaming der Daten zum PC mit mehr als 20 MByte/s
* keine Treiber im PC da Nutzung von Standardschnittstellen (USB oder IDE)
* Hot-Pluging
* Visualisierung mit beliebigen Programmen
* geringer Logikaufwand

[http://www.abaxor.de/produkte.html abaxor.de-Webseite]

==== open source Logikanalysator von sump.org====
Ein einfacher, übersichtlicher Logikanalysator findet sich auf sump.org. Er liegt im Quelltext vor wird mit ins Design einsynthetisiert. Als Speicher dient wahlweise SRAM oder intern RAM. Es können 32 Kanäle mit 100 MHz (oder weniger) gesampelt werden. Die Bediensoftware läuft platformunabhängig unter Java und benötigt eine serielle Schnittstelle (auch über USB-seriell Wandler) zum Core.

[http://de.sump.org/projects/analyzer/ sump.org-Webseite]

== Siehe auch ==
* [[Hardwarebeschreibungssprachen]]
* [[Reset für FPGA/CPLD]]
* [[Taktung FPGA/CPLD]]
* Projekt [[Audio-DSP mit Spartan 3-FPGA]]

== Weblinks ==
* [http://www.fpga4fun.com/index.html FPGA4Fun] - FPGA-Projekte, größtenteils mit Altera und Verilog
* [http://video.google.com/videoplay?docid=-4969729965240981475 Ein Vortrag, auf Englisch: General Purpose, Low Power Supercomputing Using Reconfiguration Logic]
* http://www.opencores.org - FPGA-Projekte, Opensource, jeder kann seine Eigenen einstellen und an anderen mitarbeiten. U.a. gibt es verschiedene CPUs für FPGAs.
* [http://members.optushome.com.au/jekent/FPGA.htm John's FPGA Page]
* [http://www.embedded.com/columns/whatsnew/197003073 More about designing with embedded FPGAs] by Bernard Cole, Embedded.com

[[Category:FPGA und Co]]

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:16:38Z

192.251.226.205:

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:16:04Z

192.251.226.205:

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:15:53Z

192.251.226.205:

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:15:38Z

192.251.226.205:

Mit einer Hardwarebeschreibungssprache lässt sich das Verhalten von digitalen Schaltkreisen in Textform beschreiben. Aus dem Quelltext können dann z.B. Daten für die Programmierung von Logikbausteinen ([[FPGA]], [[CPLD]], [[GAL]]) gewonnen werden (Synthese), oder es lassen sich Simulationen durchführen.
Dabei muss man beachten, dass Hardwarebeschreibungssprachen zwar wie "normale" Programmiersprachen aussehen, es aber nicht sind! Sie beschreiben im wesentlichen eine parallel arbeitende Hardwarestruktur, im Gegensatz zu sequenziellen Ablauf einer Programmiersprache. Natürlich kann man auch sequentielle Abläufe in einer Hardwarebeschreibungssprache ausdrücken. Dazu verwendet man endliche Zustandsautomaten (engl. Finite State Machines).

== Verilog ==
[[Verilog]] wurde 1983 von der Firma Gateway Design Automation entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt diente sie der Simulation/Verifikation, aber nicht der Synthese digitaler Schaltungen. Das gab dieser Sprache auch den Namen: ''Verifying Logic - Veri Log''.

[[Verilog]] ist vornehmlich auf dem amerikanischen Kontinent verbreitet.

* [http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html Verilog Handbook] nicht mehr online, als HTML und PDF noch hier zu finden:
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/manual.pdf
* [http://www.stanford.edu/class/ee183/handouts_win2003/VerilogQuickRef.pdf Verilog Quick Reference]
* [http://www.fpga4fun.com/VerilogTips.html Verilog Tips and Tricks]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-9-398050.html Websites für Lernende]
* [http://www.pyroelectro.com/tutorials/verilog_intro/index.html An Introduction To Verilog] bei www.pyroelectro.com

== VHDL ==

'''V'''ery High Speed Integrated Circuit '''H'''ardware '''D'''escription '''L'''anguage

[[VHDL]] ist die in Europa vorwiegend verwendete Beschreibungssprache für digitale Schaltungen.

* [[VHDL|FAQ, Kurzreferenzen, weitere Links]]
* [[VHDL_Schnipsel|kurze Beispiele]]
* [[Rechnen in VHDL]]

== VHDL-AMS ==

'''VHDL''' mit Erweiterungen für die '''A'''nalog/'''M'''ixed '''S'''ignal - Simulation. Diese Beschreibungssprache wird z.B. benutzt, um elektrodynamische und mechanische Modelle wie Bremsen, Motoren und Ähnliches in elektrische Schaltungssimulationen zu integrieren.

=== Bücher ===
* VHDL-AMS. Mit CD. Anwendungen und industrieller Einsatz (Broschiert) von Yannick Herve, ISBN: 3486577875, 34,80 EUR, März 2006

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:15:26Z

192.251.226.205:

Mit einer Hardwarebeschreibungssprache lässt sich das Verhalten von digitalen Schaltkreisen in Textform beschreiben. Aus dem Quelltext können dann z.B. Daten für die Programmierung von Logikbausteinen ([[FPGA]], [[CPLD]], [[GAL]]) gewonnen werden (Synthese), oder es lassen sich Simulationen durchführen.
Dabei muss man beachten, dass Hardwarebeschreibungssprachen zwar wie "normale" Programmiersprachen aussehen, es aber nicht sind! Sie beschreiben im wesentlichen eine parallel arbeitende Hardwarestruktur, im Gegensatz zu sequenziellen Ablauf einer Programmiersprache. Natürlich kann man auch sequentielle Abläufe in einer Hardwarebeschreibungssprache ausdrücken. Dazu verwendet man endliche Zustandsautomaten (engl. Finite State Machines).

== AHDL ==

Die Altera Hardware Description Language AHDL ist eine Weiterentwicklung von ABEL.

== Verilog ==
[[Verilog]] wurde 1983 von der Firma Gateway Design Automation entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt diente sie der Simulation/Verifikation, aber nicht der Synthese digitaler Schaltungen. Das gab dieser Sprache auch den Namen: ''Verifying Logic - Veri Log''.

[[Verilog]] ist vornehmlich auf dem amerikanischen Kontinent verbreitet.

* [http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html Verilog Handbook] nicht mehr online, als HTML und PDF noch hier zu finden:
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/manual.pdf
* [http://www.stanford.edu/class/ee183/handouts_win2003/VerilogQuickRef.pdf Verilog Quick Reference]
* [http://www.fpga4fun.com/VerilogTips.html Verilog Tips and Tricks]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-9-398050.html Websites für Lernende]
* [http://www.pyroelectro.com/tutorials/verilog_intro/index.html An Introduction To Verilog] bei www.pyroelectro.com

== VHDL ==

'''V'''ery High Speed Integrated Circuit '''H'''ardware '''D'''escription '''L'''anguage

[[VHDL]] ist die in Europa vorwiegend verwendete Beschreibungssprache für digitale Schaltungen.

* [[VHDL|FAQ, Kurzreferenzen, weitere Links]]
* [[VHDL_Schnipsel|kurze Beispiele]]
* [[Rechnen in VHDL]]

== VHDL-AMS ==

'''VHDL''' mit Erweiterungen für die '''A'''nalog/'''M'''ixed '''S'''ignal - Simulation. Diese Beschreibungssprache wird z.B. benutzt, um elektrodynamische und mechanische Modelle wie Bremsen, Motoren und Ähnliches in elektrische Schaltungssimulationen zu integrieren.

=== Bücher ===
* VHDL-AMS. Mit CD. Anwendungen und industrieller Einsatz (Broschiert) von Yannick Herve, ISBN: 3486577875, 34,80 EUR, März 2006

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:15:07Z

192.251.226.205:

Mit einer Hardwarebeschreibungssprache lässt sich das Verhalten von digitalen Schaltkreisen in Textform beschreiben. Aus dem Quelltext können dann z.B. Daten für die Programmierung von Logikbausteinen ([[FPGA]], [[CPLD]], [[GAL]]) gewonnen werden (Synthese), oder es lassen sich Simulationen durchführen.
Dabei muss man beachten, dass Hardwarebeschreibungssprachen zwar wie "normale" Programmiersprachen aussehen, es aber nicht sind! Sie beschreiben im wesentlichen eine parallel arbeitende Hardwarestruktur, im Gegensatz zu sequenziellen Ablauf einer Programmiersprache. Natürlich kann man auch sequentielle Abläufe in einer Hardwarebeschreibungssprache ausdrücken. Dazu verwendet man endliche Zustandsautomaten (engl. Finite State Machines).

== ABEL ==

'''A'''dvanced '''B'''oolean '''E'''xpression '''L'''anguage

ABEL wird hauptsächlich für kleinere Aufgaben wie die Programmierung von [[GAL]]s und [[ISP]]s verwendet. Xilinx unterstützt ABEL als Beschreibungssprache für CPLDs (CoolRunner-Familie, XC95xxx-Familie)

* [http://www.seas.upenn.edu/ese/rca/software/abel/abel.primer.html ABEL-HDL Primer] - englischsprachige ABEL-Einführung von der University of Pennsylvania
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Advanced_Boolean_Equation_Language Eintrag deutsche Wikipedia] - Geschichte und Beispiel

== AHDL ==

Die Altera Hardware Description Language AHDL ist eine Weiterentwicklung von ABEL.

== Verilog ==
[[Verilog]] wurde 1983 von der Firma Gateway Design Automation entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt diente sie der Simulation/Verifikation, aber nicht der Synthese digitaler Schaltungen. Das gab dieser Sprache auch den Namen: ''Verifying Logic - Veri Log''.

[[Verilog]] ist vornehmlich auf dem amerikanischen Kontinent verbreitet.

* [http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html Verilog Handbook] nicht mehr online, als HTML und PDF noch hier zu finden:
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/manual.pdf
* [http://www.stanford.edu/class/ee183/handouts_win2003/VerilogQuickRef.pdf Verilog Quick Reference]
* [http://www.fpga4fun.com/VerilogTips.html Verilog Tips and Tricks]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-9-398050.html Websites für Lernende]
* [http://www.pyroelectro.com/tutorials/verilog_intro/index.html An Introduction To Verilog] bei www.pyroelectro.com

== VHDL ==

'''V'''ery High Speed Integrated Circuit '''H'''ardware '''D'''escription '''L'''anguage

[[VHDL]] ist die in Europa vorwiegend verwendete Beschreibungssprache für digitale Schaltungen.

* [[VHDL|FAQ, Kurzreferenzen, weitere Links]]
* [[VHDL_Schnipsel|kurze Beispiele]]
* [[Rechnen in VHDL]]

== VHDL-AMS ==

'''VHDL''' mit Erweiterungen für die '''A'''nalog/'''M'''ixed '''S'''ignal - Simulation. Diese Beschreibungssprache wird z.B. benutzt, um elektrodynamische und mechanische Modelle wie Bremsen, Motoren und Ähnliches in elektrische Schaltungssimulationen zu integrieren.

=== Bücher ===
* VHDL-AMS. Mit CD. Anwendungen und industrieller Einsatz (Broschiert) von Yannick Herve, ISBN: 3486577875, 34,80 EUR, März 2006

Hardwarebeschreibungssprachen

2009-02-25T13:14:36Z

192.251.226.205:

Mit einer Hardwarebeschreibungssprache lässt sich das Verhalten von digitalen Schaltkreisen in Textform beschreiben. Aus dem Quelltext können dann z.B. Daten für die Programmierung von Logikbausteinen ([[FPGA]], [[CPLD]], [[GAL]]) gewonnen werden (Synthese), oder es lassen sich Simulationen durchführen.
Dabei muss man beachten, dass Hardwarebeschreibungssprachen zwar wie "normale" Programmiersprachen aussehen, es aber nicht sind! Sie beschreiben im wesentlichen eine parallel arbeitende Hardwarestruktur, im Gegensatz zu sequenziellen Ablauf einer Programmiersprache. Natürlich kann man auch sequentielle Abläufe in einer Hardwarebeschreibungssprache ausdrücken. Dazu verwendet man endliche Zustandsautomaten (engl. Finite State Machines).

== ABEL ==

'''A'''dvanced '''B'''oolean '''E'''xpression '''L'''anguage

ABEL wird hauptsächlich für kleinere Aufgaben wie die Programmierung von [[GAL]]s und [[ISP]]s verwendet. Xilinx unterstützt ABEL als Beschreibungssprache für CPLDs (CoolRunner-Familie, XC95xxx-Familie)

* [http://www.seas.upenn.edu/ese/rca/software/abel/abel.primer.html ABEL-HDL Primer] - englischsprachige ABEL-Einführung von der University of Pennsylvania
* [http://de.wikipedia.org/wiki/Advanced_Boolean_Equation_Language Eintrag deutsche Wikipedia] - Geschichte und Beispiel

== AHDL ==

Die Altera Hardware Description Language AHDL ist eine Weiterentwicklung von ABEL.

== Verilog ==
[[Verilog]] wurde 1983 von der Firma Gateway Design Automation entwickelt. Zu diesem Zeitpunkt diente sie der Simulation/Verifikation, aber nicht der Synthese digitaler Schaltungen. Das gab dieser Sprache auch den Namen: ''Verifying Logic - Veri Log''.

[[Verilog]] ist vornehmlich auf dem amerikanischen Kontinent verbreitet.

* [http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html Verilog Handbook] nicht mehr online, als HTML und PDF noch hier zu finden:
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/verilog-manual.html
http://web.archive.org/web/20060805053107/http://www.eg.bucknell.edu/~cs320/1995-fall/manual.pdf
* [http://www.stanford.edu/class/ee183/handouts_win2003/VerilogQuickRef.pdf Verilog Quick Reference]
* [http://www.fpga4fun.com/VerilogTips.html Verilog Tips and Tricks]
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/read-9-398050.html Websites für Lernende]
* [http://www.pyroelectro.com/tutorials/verilog_intro/index.html An Introduction To Verilog] bei www.pyroelectro.com

== VHDL ==

'''V'''ery High Speed Integrated Circuit '''H'''ardware '''D'''escription '''L'''anguage

[[VHDL]] ist die in Europa vorwiegend verwendete Beschreibungssprache für digitale Schaltungen.

* [[VHDL|FAQ, Kurzreferenzen, weitere Links]]
* [[VHDL_Schnipsel|kurze Beispiele]]
* [[Rechnen in VHDL]]

== VHDL-AMS ==

'''VHDL''' mit Erweiterungen für die '''A'''nalog/'''M'''ixed '''S'''ignal - Simulation. Diese Beschreibungssprache wird z.B. benutzt, um elektrodynamische und mechanische Modelle wie Bremsen, Motoren und Ähnliches in elektrische Schaltungssimulationen zu integrieren.

=== Bücher ===
* VHDL-AMS. Mit CD. Anwendungen und industrieller Einsatz (Broschiert) von Yannick Herve, ISBN: 3486577875, 34,80 EUR, März 2006

== Sonstige ==
* CUPL: Zu ABEL verwandte Sprache, wird von Atmel noch als WinCUPL für Atmel-CPLDs kostenlos bereitgestellt, aber nicht mehr gepflegt. (Der Texteditor stürzt beim Speichern ab und beendet das Programm - Abhilfe: Wordpad o.ä. benutzen)
* GHDL: Genrad's hardware description langugage, eine boolsche Sprache zur Beschreibung von [[GAL]]s und [[PAL]]s.

[[Category:FPGA und Co]]

Xilinx ISE

2009-02-25T13:14:02Z

192.251.226.205:

Hier wird speziell die FPGA/CPLD Toolchain für Xilinx besprochen. Für eine allgemeine Beschreibung der Toolchain und des Designflows für programmierbare Logik siehe [[FPGA/CPLD Toolchain]].

== Timing constraints ==
* [[UCF-Dateien]]
* [[Xilinx_timing constraints|Fehlermeldung "Cannot apply Timespec ..."]]

== Probleme beim Download (Impact) ==
*[[impact_mask|"*.msk not found"]]

[[Category:FPGA und Co]]

Xilinx ISE

2009-02-25T13:13:08Z

192.251.226.205:

Hier wird speziell die FPGA/CPLD Toolchain für Xilinx besprochen. Für eine allgemeine Beschreibung der Toolchain und des Designflows für programmierbare Logik siehe [[FPGA/CPLD Toolchain]].

== Unterschiede in den ISE-Versionen ==
Xilinx bietet auch die alten Versionen der Entwicklungstools zum Download an. Man nennt diese "Classic ISE" und auf der Website liegen sie hier:
http://www.xilinx.com/webpack/classics/wpclassic/index.htm

Zum Teil lassen sich Probleme mit dem FPGA-Image Download, falsch umgesetzten VHDL-Konstrukte und andere mit einer anderen, auch älteren Version beseitigen.

* [[Xilinx ISE: Hinweise zu Versionen]]

== Timing constraints ==
* [[UCF-Dateien]]
* [[Xilinx_timing constraints|Fehlermeldung "Cannot apply Timespec ..."]]

== Probleme beim Download (Impact) ==
*[[impact_mask|"*.msk not found"]]

[[Category:FPGA und Co]]