FPGA - Cerioni Matteo

FPGA

1. Introduzione

2. Struttura e Componenti Principali

3. Specifiche Tecniche

5. Vantaggi e Svantaggi

4. Differenze con Arduino

Vantaggi e Svantaggi

Differenze con Arduino

Introduzione

Blocchi Logici Configurabili

Interconnessioni Programmabili

Blocchi di Ingresso/Uscita

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

Un FPGA (Field Programmable Gate Array) è un microcontrollore riconfigurabile che può essere programmato per eseguire funzioni specifiche.A differenza di un classico microcontrollore, gli FPGA operano in modo parallelo e possono essere personalizzati per applicazioni che richiedono alte prestazioni.Proprio per questa loro particolarità sono spesso impiegate nello sviluppo di intelligenze artificiali.

Blocchi Logici Configurabili

Programazione

Differenze

Introduzione

Interconnessioni Programmabili

Blocchi di Ingresso/Uscita

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

ALU

Flip-Flop e Latch

SRAM

I CLB (Configurable Logic Block) sono il centro operazionale degli FPGA e sono costituiti da:

• LUT (Look-Up Table):Ogni LUT è una piccola memoria che permette di creare circuiti logici senza doverli cablare fisicamente.Tipicamente comprendono 4, 6 o 8 ingressi.

• :Utilizzati per memorizzare informazioni e sincronizzare segnali.

• Multiplexer e (Arithmetic Logic Unit):Facilitano operazioni matematiche e logiche, incrementando le prestazioni di calcolo.

Blocchi Logici Configurabili

Programazione

Differenze

Interconnessioni Programmabili

Blocchi di Ingresso/Uscita

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

Switch Matrix

Le interconnessioni permettono ai vari blocchi logici (CBL) di comunicare tra loro e vengono organizzate in diverse strutture:

• Routing Programmabile:Consente di collegare i CLB in base alla configurazione del progetto.

• :Contiene transistor che fungono da interruttori, attivati o disattivati per creare connessioni tra CLB.

• Clock Routing:Distribuisce segnali di clock per sincronizzare le operazioni interne.

Programazione

Differenze

Interconnessioni Programmabili

Blocchi di Ingresso/Uscita

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

LVCMOS, SSTL, HSTL

Gli IOB (Input/Output Blocks) gestiscono il trasferimento di dati tra l'FPGA e le periferiche collegate. Le caratteristiche principali includono:

• Supporto per vari standard di segnale:LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) → Utilizzato per trasmissioni ad alta velocità. → Utilizzati per comunicazioni con memorie e microprocessori.

• Buffer programmabili:Regolano la forza del segnale per adattarsi ai requisiti del sistema.

• Registri di input/output:Sincronizzano i dati per evitare errori di trasmissione.

Programazione

Differenze

Blocchi di Ingresso/Uscita

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

FIFO

UltraRAM

Gli FPGA includono diverse tipologie di memoria per migliorarne le prestazioni:

• RAM distribuita:Situata nei CLB e utilizzata per piccole memorie veloci.

• Block RAM (BRAM):Memoria dedicata per la memorizzazione di dati temporanei con una capacità da pochi KB a diversi MB, suddivisa in più blocchi.

• :Disponibile negli FPGA di fascia alta per aumentare la capacità di memorizzazione.

• (First-In, First-Out):Utilizzato per la gestione dei buffer di dati nei sistemi di comunicazione.

Programazione

Differenze

Memorie On-Chip

Blocchi DSP

FFT

I blocchi DSP sono unità specializzate per operazioni matematiche complesse, come:

• Moltiplicatori e accumulatori (MAC - Multiply-Accumulate):Utilizzati per applicazioni di intelligenza artificiale e grafica.

• (Fast Fourier Transform):Implementazione efficiente di algoritmi di elaborazione dei segnali.

• Filtri digitali:Creazione di filtri per segnali audio/video.

Programazione

Differenze

Blocchi DSP

Programmazione

Consumo Energetico

Flessibilità

Parallelismo e Prestazioni

Architettura

Vantaggi e Svantaggi

Differenze con Arduino

vantaggi

• Flessibilità e Riprogrammabilità:Gli FPGA possono essere riprogrammati più volte.

• Parallelismo e Alte Prestazioni:Grazie alla loro architettura, gli FPGA possono eseguire operazioni in parallelo, offrendo così prestazioni elevate in applicazioni come il machine learning. ​

• Riduzione del Tempo di Progettazione:Con gli FPGA, è possibile ridurre il tempo necessario per la progettazione e il rischio di errori grazie la loro riprogrammabilità.

• Adattabilità a Diversi Standard di Interfaccia:Gli FPGA supportano vari standard di segnale, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono interfacce multiple o in evoluzione.

svantaggi

• Costo Unitario Maggiore:Per produzioni su larga scala, il costo per unità degli FPGA è generalmente superiore rispetto ad altri circuiti, rendendoli meno economici.

• Consumo Energetico Più Elevato:Gli FPGA tendono a consumare più energia rispetto ai normali microcontrollori. ​ ​

• Maggiore Complessità di Progettazione:La progettazione con FPGA richiede competenze specifiche rendendo così l'utilizzo più complicato rispetto all'utilizzo di microcontrollori tradizionali, aumentando il tempo e le risorse necessarie per lo sviluppo.
• Necessità di Configurazione all'Accensione:Alcuni FPGA, in particolare quelli basati su SRAM, richiedono una configurazione all'avvio

Vantaggi e Svantaggi

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Le FPGA in questo campo vengono ampiamente usate per i seguenti scopi:

• Accellerazione delle reti neurali, tramitel'addestramento di reti neurali profonde
• Elaborazione di Immagini e Visione Artificiale,gli FPGA vengono utilizzati spesso in computer vision e riconoscimento di immagini
• Edge AI, ossia l'utilizzo di intelligenza artificiale nei dispositivi locali senza connessione ad un cloud

FPGA e AI

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Step by step interactive visual communication:

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Lo Switch Matrix è un sistema che permette ai vari blocchi di un FPGA di collegarsi tra loro in modo programmabile. Funziona come una rete di transistor che accendono o spengono i collegamenti tra i blocchi logici permettendo di creare connessioni personalizzate in base al progetto che si vuole realizzare. Ottimizza automaticamente il percorso dei segnali per garantire velocità e efficienza.

Switch Matrix: Come Funziona?

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