Výhody polí FPGA

-- 25.04.10 21:19

Nástroje pro navrhování polí FPGA jsou nyní snadno dostupné a návrhářům zabudovaných řídicích systémů umožňují rychleji vytvářet a upravovat hardware polí FPGA.

Programovatelné hradlové pole (Field Programmable Gate Array – FPGA) obsahuje matici přenastavitelných obvodů logiky hradlových polí, která je po své konfiguraci propojena způsobem, který představuje hardwarovou implementaci softwarové aplikace. Stále vyspělejší nástroje umožňují návrhářům zabudovaných řídicích systémů rychleji vytvářet a snadněji upravovat aplikace na bázi polí FPGA. Pole FPGA, na rozdíl od procesorů, využívají pro procesní logiku specializovaný hardware a nemají operační systém. Protože cesty zpracování jsou paralelní, různé operace nemusejí soupeřit o stejné zdroje pro zpracování. To znamená, že rychlosti mohou být velmi vysoké a na jednom zařízení s polem FPGA může běžet několik regulačních smyček s různými frekvencemi.Navíc přestavitelnost polí FPGA technikům nabízí téměř neomezenou flexibilitu.

„Na rozdíl od pevně zhotovených desek plošných spoj (PCB) s pevně zapojenými hardwarovými obvody mohou systémy na bázi FPGA doslova přestavět své vnitřní obvody a umožnit konfiguraci poté, co je řídicí systém využíván v provozu,“ říká Christian Fritz, produktový manažer společnosti National Instruments pro polohování a mechatroniku. V kontextu výroby a automatizace jsou pole FPGA vhodné pro použití v aplikacích robotiky a obráběcích strojů, a také pro řízení ventilátorů, čerpadel, kompresorů a dopravníků. Pole FPGA se často používají pro překonfigurování funkčnosti I/O modulu. „Například modul digitálního vstupu lze použít pro jednoduchý odečet stavu pravda/nepravda každé digitální linky. Nebo lze totéž pole FPGA překonfigurovat pro provádění zpracování digitálních signálů a měření šířky pulsu, provádění digitálního filtrování, nebo dokonce měření polohy a rychlosti ze senzoru kvadraturního převodníku,“ říká Fritz.

Jak uvádí James Bonanno, diplomovaný inženýr (P.E.) společnosti Atlantix Engineering, firmy zaměřené na poradenství při navrhování polí FPGA: „Technik může přizpůsobit design pole FPGA, aby odpovídalo řídicímu algoritmu, namísto toho, aby musel upravovat řídicí algoritmus podle schopností procesoru. V důsledku toho nedochází ke vzniku úzkých míst z důvodu přerušení nebo sekvencí událostí, jako je tomu u provedení s obvody DSP nebo mikroprocesory. Proto jsou zařízení FPGA velmi zajímavým řešením pro realizaci moderních komplexních provedení digitálních řídicích prvků,“ říká. „Většina řídicích systémů reálného času, zejména těch, které jsou využívány v aplikacích výkonové elektroniky pohonů střídavých motorů, vyžaduje rychlé zpracování,“ vysvětluje Bonanno.

„Například regulační smyčka běžící s cyklem 10 μs má frekvenci jen 100 kHz, ale v závislosti na implementovaném algoritmu to jednoduše nemusí být dostatečná doba na zpracování periferií a provedení požadovaného algoritmu řízení v reálném čase,“ říká. „S technologií FPGA je implementace šitá na míru algoritmu. A co je možná ještě důležitější, i periferie lze přizpůsobit, aby odpovídaly algoritmu.“ To platí zejména pro vysokorychlostní rozhraní A/D, dekodéry a převodníky,“ říká. Fritz souhlasí a dodává, že pole FPGA se přirozeně hodí pro špičkové řídicí aplikace. „Vyspělé koncepce řízení, jako jsou algoritmy vektorového řízení, se musí neustále přepočítávat s frekvencí 10 až 100 kHz. Paralelně s řídicím algoritmem musí běžet také další bloky IP (intellectual property) jader, jako jsou vysokorychlostní PWM (pulsně-šířkové modulace) výstupy, aniž by ovlivnily časování řídicího algoritmu,“ vysvětluje.

„Pole FPGA může být ideálním řešením pro tuto aplikaci, protože dokáže realizovat řídicí algoritmy s frekvencí smyčky až ve stovkách kHz.“ Hardware FPGA dodávají tři hlavní výrobci  – Xilinx, Altera a Lattice Semiconductor – a mnoho dalších. Použití technologie FPGA podporuje stále více návrhářských nástrojů a modulů, přičemž mnoho z nich je specializovaných pro určitou aplikaci. Například platforma Targeted Design Platform společnosti Xilinx sdružuje klíčové prvky potřebné pro navrhování průmyslových zobrazovacích systémů na bázi polí FPGA. Tyto nástroje umožňují návrhářským týmům trávit méně času vývojem infrastruktury aplikace a více času věnovat budování odlišujících vlastností do koncové aplikace.

„Dnes existuje vazba mezi různými druhy nástrojů, které mohou technikovi pomáhat při algoritmicky intenzivním navrhování polí FPGA,“ říká Bonanno. „V zásadě neexistují žádné překážky použití polí FPGA u vysoce výkonných digitálně řízených aplikací,“ doplňuje. Společnost Atlantix vyvinula výpočetní jádro HyperKinetix a platformy Motor:FPGA a Power:FPGA, u nichž využívá technologii polí FPGA a přispívá k většímu rozšíření digitálních řídicích prvků na bázi hardwaru. Projekty pro vývoj produktů společnosti Atlantix zahrnují návrhy nejrůznějších servopohonů, korekci účiníku a vícekanálové zpracování signálu pro průmyslovou přístrojovou techniku. Integrační moduly FPGA společnosti Opal Kelly jsou nástroje, které oprošťují návrháře od problémů s časem, náklady a spolehlivostí při vyvíjení jejich vlastních řešení propojení PC pro aplikace na bázi FPGA.

„Víme o problémech, s nimiž se technici dnes musejí potýkat, a poskytujeme řešení, která řeší časový a zkušenostní deficit pro efektivní funkčnost propojení,“ říká Jake Janovetz, prezident společnosti Opal Kelly. „To vývojovým týmům dovoluje soustředit se na své hlavní kompetence, a tím zkrátit celkový čas potřebný pro vývoj a snížit náklady.“ Modul Opal Kelly FPGA USB 2.0 zahrnuje firemní vývojovou sadu (SDK) FrontPanel, nástroj, který urychluje vývoj USB zařízení na bázi FPGA tím, že nabízí tři vývojové komponenty: Front- Panel Software API, který zákazníkům pomáhá vytvořit aplikaci, ovladač pro komunikaci se zařízením po sběrnici USB a předem vytvořené moduly HDL, které se integrují s HDL zákazníka a usnadňují komunikaci s hostitelským počítačem PC. Tyto nástroje se používají pro vytvoření firemního interního testovacího zařízení, vládních a vojenských aplikací a prototypů. „Integrační moduly FPGA společnosti Opal Kelly řeší problém konstruování systému na bázi FPGA, který by komunikoval a přenášel data mezi zakázkovým hardwarem / HDL a softwarem v prostředí počítače PC,“ říká Janovetz.

„Bez našich modulů by technik musel navrhovat, implementovat a testovat ucelený systém („endto- end“) včetně softwaru PC a ovladačů operačního systému, firmwaru pro mikrořadič USB a komunikace mezi USB a FPGA. Naše moduly tento kus práce z jejich návrhářských povinností odstraňují a umožňují jim soustředit se na složky konkrétně související s jejich technickým problémem.“ Modul FPGA aplikace NI LabView FPGA přináší grafické vývojové prostředí pro pole FPGA využívající jazyka LabView. Jeho cílem je komerčně dostupný hardware s nekonfigurovatelnými I/O (RIO) společnosti NI. „Aplikace LabView se dobře hodí pro programování polí FPGA, protože přehledně znázorňuje paralelní zpracování a datový tok,“ říká Fritz.

Navíc „stovky příkladů a dalších funkcí, jako jsou vektorové řídicí algoritmy pro pole FPGA LabView, lze stáhnout zdarma prostřednictvím sítě IPNet společnosti NI, což je partnerská stránka aplikace LabView FPGA pro vyhledávání, stahování a výměnu algoritmů IP. Janovetz říká, že nástroje společnosti Opal Kelly jsou z hlediska polí FPGA univerzálně použitelné, kdežto „naše moduly jsou navrhovány s poli FPGA společnosti Xilinx, a to z důvodu silné pozice společnosti Xilinx na trhu. Aby naši zákazníci mohli implementovat své návrhy, musejí být s poli FPGA do určité míry obeznámeni, a proto je rozumné, aby naše produkty následovaly trendy na trhu.“

Xilinx a ARM Holdings oznámily, že spolupracují na implementaci technologie procesorů a propojení společnosti ARM do polí FPGA společnosti Xilinx.Společnost Xilinx licenčně využívá procesorové IP Cortex společnosti ARM a využívá výkonově optimalizované knihovny buněk ARM a zabudované paměti pro budoucí programovatelné platformy. Navíc tyto dvě společnosti oznámily, že budou spolupracovat na definování nové generace technologie propojení uvnitř čipu AMBA tak, aby ji bylo možno využívat v architekturách polí FPGA. Společnost ARM Holdings nabízí řadu procesorů speciálně optimalizovaných pro pole FPGA významných dodavatelů, včetně společností Altera, Xilinx a Actel.

Zavedení architektury MIPS

Loni na podzim rovněž společnost Altera oznámila, že začala licenčně využívat architekturu MIPS32 společnosti MIPS Technologies, rivala společnosti ARM Holdings. Tato transakce je milníkem vstupu architektury MIPS do říše polí FPGA a umožňuje společnosti Altera poskytovat více možností zákazníkům polí FPGA zaměřených na síťové, komunikační a multimediální aplikace. Příkladem toho, jaké časové úspory může komerčně dostupný modul FPGA přinést, je případ společnosti Jova Solutions, vývojáře testovacího zařízení zobrazovacích senzorů a zákazníka společnosti Opal Kelly.

Aby společnost Jova Solutions vytvořila funkčnost svého integračního modulu XEM, „potřebovali bychom téměř rok vývojových prací a hotovostní výdaje ve výši 30 000 dolarů,“ říká Martin Vasey, CEO společnosti Jova. A to jen v případě, že bychom byli schopni najít specializovaného technika se zkušenostmi v této oblasti. Odhaduji, že modul společnosti Opal Kelly nám ušetřil přes 100 000 dolarů a urychlil uvedení našeho komerčního produktu na trh o 12 měsíců.“

Renee Robbins je vedoucí redaktorka časopisu Control Engineering. Kontaktujte ji na adrese renee.robbins@reedbusiness.com.

Autor: Renee Robbinsová, Control Engineering