تقنية ال FPGA

FPGA

ماهي تقنية الFPGA

وماذا تعني؟

وما استخداماتها؟

وكيف تخدم هذه التقنية علم الالكترونيات؟

وكيف يمكنني الحصول عليها؟

كل هذه أسئلة بحاجة الى اجابة ومن لديه أي اضافات فلا يبخل علينا

ولنبدأ في الابحار في بحر الالكترونيات

اجابة السؤال الاول : ماهي تقنية الـFPGA وماذا تعني؟

كلمة FPGA هي اختصار لجملة Field Programmable Gate Arrays وهي تعني
مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ، وهي عبارة عن دوائر متكاملة
تتكون من صفوف من البوابات المنطقية كل بوابة يمكن التحكم في نوعها
وتحويلها من نوع الى أخر مثلا من AND الى NAND ومن NOR الى NOTالى أخره
ويمكن أيضا التحكم في توصيل كل بوابة بالبوابات الاخرى فيمكن عمل التوصيل
الذي نريده ويمكن بذلك تحويل الدائرة المتكاملة من نوع الى أخر عن طريق
البرنامج الخاص ببرمجتها.

أما فيم تستخدم :
فهي يمكن أن تستخدم في أي
شئ وكل شئ وخاصة الاجهزة الالكترونية التي تحتاج الى تغيير دوائرها
باستمرار وبينما كان ذلك صعبا في الماضي فانه الان يمكن أن يحدث بمجرد
انزال برنامج جديد يغير من تركيب الدائرة.

أما كيف تخدم هذه التقنية الالكترونيات:
فهي
فتح جديد ونعمة تستوجب الشكر وثورة في عالم تصميم الدوائر المتكاملة
ولتوضيح ذلك نعطي المثال التالي:في حين أن شركة مثل انتل تصنع معالج
البنتيوم الذي يقوم بجميع الوظائف الممكنة وذلك بغرض الاستخدام العام في
كل التطبيقات ، وذلك على حساب السرعة التي تكون بطيئة نسبيا والاستهلاك
العالي للطاقة والسعر المرتفع ، في حين أن بعض الشركات الاخرى تصنع دوائر
متكاملة سريعة ورخيصة واستهلاكها للطاقة قليل ولكنها صممت لتنفيذ وظيفة
واحدة فقط وهي التي تعرف باسم ASIC ومثال على ذلك البروسيسور الخاص بأجهزة
التليفزيون ، فجاءت تقنية الـFPGA لتجمع بين سرعة الاداء العالية والتعدد
في الاستخدام.

وأحب هنا أن أنقل ملخصا لما نشر عن هذا الموضوع فى مجلة العلوم الأمريكية
فى المجلد 15 العددان 6،7 يونيو/يوليو 1999 صفحة 32 وهذه المجلة هى ترجمة
لمجلة (scintific american) تصدر عن مؤسسة الكويت للتقدم العلمى .

فقد نشر فى هذا العدد موضوع بعنوان " الحوسبة التشكلية (المطاوعة)"
"configurable computing" ، وسنحاول تلخيص الموضوع وتبسيطه فى السطور
التالية لنقربه الى الاذهان .

( فى طريقهم لايجاد التوازن الملائم بين سرعة
المعالجات وتعدد الاستعمالات يواجه مصممى الحاسوب تحد مستمر ، فهم قادرون
على بناء معالجات متعددة الاستعمالات يمكنها أن تقوم بوظائف متنوعة لكن
ببطئ نسبى .وفى المقابل فإنهم قادرون على ابتكار معالجات سريعة جدا لكن
تقوم بمهمة محددة .

ولنعطى مثالا للتوضيح . فمثلا معالجات بنتيوم intel pentium الموجودة
حاليا فى الحواسيب الشخصية هى معالجات ذات استخدامات عامة ، فهو لم يكن
مصمما خصيصا لتشغيل ميكروسوفت وورد microsoft word أولعبة كوماندوز
comandos الا أنه يستطيع تشغيل كلا التطبيقين .

وبالمقابل فإن الدوائر المصممة لمهام محددة ( الغير قابلة للبرمجة)
والمعروف باسم (الدوائر المتكاملة المحددة التطبيقات)
(application-specific integrated circuits ( ASIC

تؤمن بدقة الأداء الوظيفى اللازم لمهمة معينة فقط وبسرعة عالية جدا.

فيستطيع مصممو الحاسبات إنتاج معالجات أصغرحجما وأقل تكلفة واكثر سرعة
وتستهلك طاقة أقل من المعالجات القابلة للبرمجة ، فمعالج رسومات graphics
من نوع VGA يستطيع

أن يرسم خطوطا أو يلون صورا على الشاشة اسرع من معالج وحدة معالجة مركزية عامة الاستخدام بعشرة أضعاف أو مائة ضعف .

ولكن الان ثمة تطور جديد فى الدوائر المتكاملة يقدم خيارا ثالثا ، وهى
صفيفات بوابات منطقية قابلة للبرمجة FPGAs Field-Programmable Gate Arrays
.وهى دوائر الكترونية عالية الكفاءة يمكن تعديلها فى أى مرحلة أثناء
التشغيل . وتتكون الدوائر هذه من صفوف من الوحدات المنطقية القابلة للتشكل
configurable ، والقادرة على تنفيذ الوظائف المنطقية للبوابات مثل AND ,
NAND , NOR, OR, XOR . إن الوظائف المنطقية للبوابات فى معظم المكونات
المستخدمة فى الحواسيب الان ثابتة ولايمكن تغييرها ، اما فى صفيفات
البوابات القابلة للبرمجة FPGA فان كلا من الوظائف المنطقية والتوصيلات
مابين هذه الوحدات يمكن تغييرها، وذلك بارسال بعض الاشارات الى الشريحة
الالكترونية

تركيب الFPGA:

تتكون
من عدد كبيرجدا من الوحدات المنطقية القابلة للتشكيل ، ومن شبكة توصيلات
قابلة للبرمجة يمكن ان تربط هذه الوحدات بأى نمط يختاره المصمم.وهناك
نوعان من دوائر الFPGA

1-الدوائر "الخشنة الحبيبات "
coarse-grained :

وهى تتكون من عدد قليل من الوحدات المنطقية الكبيرة والقوية ، فكل وحدة
تعتبر دائرة مكونة من عدة بوابات منطقية ، ويمكن لكل عنصر أن يكون قادرا
على جمع أو مقارنة عددين كاملين.

2-الدوائر "الناعمة الحبيبات"
fine-grained

وهى تتكون من عدد كبير من الوحدات المنطقية البسيطة يكون كل عنصر قادرا
فقط على مقارنة رقمين ثنائيين أى يمكن اعتباره فعلا بوابة منطقية واحدة

إستخدامات FPGA:

1-البث الفيديوى :

تم بناء نظام بث فيديوى من دائرة متكاملة واحدة قادرة على اعادة تشكيل
نفسها أربع مرات لكل صورة frame فيديوية واحدة ، لذا فإنها تتطلب فقط ربع
الدوائر التى يمكن أن نحتاج اليها لبناء مثل هذا لنظام بدوائر الASIC .
فأولا تقوم الدائرة FPGA يتخزين الاشارة الفيديوية فى الذاكرة ثم تقوم
بتحويلين مختلفين لمعالجة الصورة ، وفى النهاية تحول الى موديم لارسال
الاشارة الى المرحلة التالية .

2-التعرف على الصور
:
يمكن لشريحة FPGA الخاصة بالتعرف على الصور وأن تهيئ نفسها بمجرد رؤية
الشئ الذى تنظر اليه ، فإذاكانت الصورة تحتوى على سيارة أوشاحنة ،فإن
أجزاء الدائرة المصممة أصلا لتتبع الطائرات السريعة أو الاشخاص البطيئى
الحركة ، يمكن أن تعيد تشكيل نفسها بحيث تركز بدلا من ذلك على الاليات
البرية

ويوجد العديد من التطبيقات الاخرى مثل مقارنة الخطوط والتعرف على الاشخاص
والاشياء المحيطة وتشفير الرسائل والتشفير المعقد جدا وتعرف الاهداف
الحربية والاتصالات بالغة التعقيد.الخ

مستقبل الحوسبة التشكلية FPGA:

تبشر دوائر الFPGA بتطبيقات واعدة فى المستقبل ستجعلك ليس فقط تتحكم فى
البرامج soft ware ولكنك أيضا سوف تتحكم فى شكل ووظيفة المكونات الصلبة
hard ware وذلك بتحميل البرنامج الخاص بالتطبيق الذى تريده ، فكما تقوم
اليوم بتحميل برامج من شبكة الانترنت ، فإن أجهزة المستقبل يمكنها تحميل
تشكيلات جديدة للدوائر كلما استدعى الامر ذلك)انتهى
مانشر فى المجلة وقد حاولنا أن نختصره بقدر الامكان لنتجنب الاطالة ولكن
دون اخلال بالمادة ولمزيد من المعلومات يرجى الرجوع للمجلة:

يمكن معرفه كثير من المعلومات عن ال fpga بزياره المواع التاليه:

1- موقع ياباني عليه شرح لتقنية الـCPLD(وهي عبارة عن صورة أبسط وأصغر من الـFPGA
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
2- شركة xilinix
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
3- والعملاق في هذا المجال شركة ALTERA
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

سابدا حديثى بمثال توضيحى
فمثلا لو أن لدينا أربع بوابات NAND
موصلين لكي تكون دائرتهم النطاط FILP_FLOP (انظر الصورة1)،ونريد أن نحوله
إلى بوابة AND ذات أربع مداخل فتحدث الخطوات التالية

يتم أولا إعطاء أمر للبرنامج الخاص بالـ FPGA بفصل كل البوابات عن بعضها .
انظر الصورة2

ثم يعطى امر بتحويل جميع البوابات من NAND إلى AND.

انظر الصورة3

ثم يعطى امر بتوصيل خرجي بوابتين بدخلي بوابة أخرى وإهمال البوابة الرابعة
الصورة 4

وهكذا تتحول من دائرة إلى أخرى بأوامر يتم اعطائها بلغة برمجة خاصة تسمىVHDL سنتعرض لها لا حقا ان شاء الله
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــــــــــــــــــــــ

وهذا مثال لfpga

CPLD

طريقك الى تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بك

من نوع LSI (Large Scale Integration)

ما هو CPLD؟

CPLDاختصار(Complex Programmable Logic Device) ومعناها (الدوائر المتكاملة المنطقية المعقدة القابلة للبرمجة).

الدوائر المتكاملة

من نوع CPLD هي نوع مصغر من FPGA وهي تحتوي على عدد أقل من البوابات

المنطقية وهي متوفرة في الاسواق وبسعر أقل ويمكنك استخدامها بسهولة وأقل

تعقيدا ويمكنك عن طريقها عمل العديد من الدوائر المتكاملة المنطقية في

ICواحد فقط.

مثال :

على سبيل المثال في حالة الدائرة المتكاملة رقم7400 والتي تحتوي على أربع

بوابات منطقية من نوع NAND ، والدائرة المتكاملة من نوع 7404والتي تحتوي

على ستة بوابات من نوع NOT

وكل منهما دائرة متكاملة منفصلة ، فاذا اردنا توصيلهما ببعضهما البعض فاننا نحتاج الى توصيلهما على لوحة مطبوعة بتوصيلات خارجية.

أما في حالة الCPLD فاننا نوصل بين

البوابات داخل الدائرة المتكاملة عن طريق برنامج خاص وبذلك تقل كثيرا

التوصيلات الخارجية في اللوحة المصبوعة ، انظر الشكل التالي:

وطبعا نحن هنا

قدمنا مثالا بسيطا لدائرتين متكاملتين فقط ، ولكن في الواقع فان هذه

التقنية تحل محل عشرات وربما مئات الدوائر المتكاملة ، وذلك نظرا

لاحتوائها على عدد كبير من البوابات المنطقية تصل الى مئات أو ألاف وبها

عدد كبير من أطراف الدخل والخرج ، ولكن بالطبع تقف عند حدود معينة حسب عدد

البوابات والاطراف.

في تدريبنا هذا سندرس الشرائح من عائلة

XC9500 والتي تنتجها شركة XILINIX زيلينيكس وهي عائلة مغلفة في شكل PLCC

وهي تعني(Plastic Leaded Chip Carrier)ومعناها بالعربية الشريحة المغلفة

بالبلاستيك المدعم بالرصاص .

وفي الجدول التالي سوف نعرض بعض أنواع العائلة XC9500

PLCC : الشريحة المغلفة بالبلاستيك المدعم بالرصاص Plastic Leaded Chip Carrier

FB: وهي تعني عدد الوظائف التي يمكن أن تقوم بها Function Block فمثلا عندما

يكتب 2FB غان ذلك يعني أنه يمكن القيام بوظيفتين في نفس الوقت.

Gates: تعني عدد البوابات الموجودة في الشريحة.

Macrocells: الماكرو هو وحدة متكاملة يمكن ان تقوم بعملية منطقية كاملة مثل الجامع الكامل full adder أو المسجلات registers.

Pin:عدد الاطراف.

مثلها

مثل المتحكمات الدقيقة الميكروكنترولر فان الCPLD لها عدد مرات محدود

للبرمجة ، وذلك لأن البرنامج يكتب على ذاكرة من نوع فلاش flash memory .

وفي حالة العائلة من XC9500 فان عدد مرات الكتابة هي 10000مرة.

وأخيرا من أحد مميزات هذا النوع أنه

يمكن اعادة كتابته اثناء وجوده في الدائرة وأثناء عملها ولا يحتاج الى

ازالته من الدائرة للبرمجة .

ملحوظة:الدائرة المتكاملة رقم XC9572 التي تحتوي على 1600بوابة و84 طرف

متوفرة بالسوق المصري بسعر 75 جنيه مصري(حوالي12.5$ )

دى مجموعة من الكتب المتميزة لشرح ال FPGA
بالتفاصيل الدقيقة

تقنية ال FPGA 99711903

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

44 MB

موضوع قيم جداااااااااااااااااااا يايحيي
مشكور على الشرح والكتب

أى خدمة يا دعاء _
ومنتظرين منك الموضوع المتفق عليه

انا محمد من المنصوره الف شكر يا بشمهندس

السلام عليكم:
انا اريد اتعلم ال(FPGA) وال (VHDL) وبصراحة انا لاراعرف من اين ابدأ.
ارجوكم دلوني على كتاب واحد وليس عدد من الكتب اريد ابدي بينو .
ولكم الاجر والثواب من اله عز وجل.
جزاكم الله الف خير.

» ماهي تقنية MP3
» روابط لمجموعة مدونات تقنية
» تقنية الواي ماكس هل هي الخيار الأمثل؟
» طائرة بحجم بعوضة ...أحدث تقنية فى العالم
» تقنية فيزيائية جديدة تحول افكار المخ الى كلام مسموع