Cómo configurar FPGA basados en SRAM

Artí­culo realizado por el Departamento Técnico de Anatronic, S.A.

Durante los últimos veinte años, el FPGA ha formado parte de un mercado destacado en la industria de los semiconductores. La tendencia está provocando soluciones más rápidas y de menor coste para conseguir un crecimiento continuo.
Actualmente, la tecnología FPGA basada en SRAM es una de las más exitosas debido a sus múltiples capacidades de programación. Por lo tanto, en un sistema sin memoria no-volátil, el FPGA no se podrá configurar de forma apropiada. Existen varias opciones de configuración para el diseñador: la memoria Flash de microcontrolador, Flash estándar, EPROM y EEPROM. Pero la alternativa más popular es el configurador. Este dispositivo también es denominado Program Read Only Memory (PROM) o dispositivo de configuración serie, sin embargo, Atmel prefiere llamarlo Configurador.
A este dispositivo no se le presta mucha atención, pero es un elemento clave en el proceso de inicialización del sistema. Las compañías han desembolsado millones de euros en el desarrollo de FPGA de gran densidad, ignorando una solución de configuración rápida, de fácil uso y bajo coste.
Atmel, compañía líder en tecnología de memoria Flash, EEPROM y Flash Embebida, ha presentado soluciones innovadoras y económicas al mercado FPGA, siendo la primera empresa en ofrecer un producto reprogramable, cuando el resto de proveedores sólo disponen de soluciones de Programación de Una Vez (OTP).
Los configuradores Atmel ofrecen magníficas características, bajo coste y una solución fácil que es muy competitiva con otras opciones de configuración.
Flash estándar + CPLD
Esta solución es una versión de Flash Estándar e incluye un CPLD para controlar el proceso de descarga y acelerar el tiempo de configuración. La principal desventaja es la complejidad de uso y la extensión del tiempo de diseño. Antes de iniciar el diseño de FPGA, un diseñador ASIC necesita trabajar en la configuración de descarga del CPLD, que puede causar varios problemas al depurar la solución completa.
Además, existen problemas de mantenimiento en los que el CPLD requiere ser actualizado constantemente para cada cambio de diseño. Muchos usuarios FPGA han usado esta opción en el pasado, debido al cierre de la memoria de configuración serie de elevada densidad.
La densidad FPGA ha crecido mucho más rápidamente que la memoria de configuración, por lo que el diseñador debe incorporar varias memorias de configuración para actualizar su FPGA, incrementando el coste.

Flash Estándar + Microcontrolador
Esta opción tiene la misma funcionalidad que la solución CPLD, pero se gestiona mediante el microcontrolador. Además de las desventajas CPLD, esta solución ofrece menos prestaciones.
A pesar de ser conocida como una solución de hardware de bajo coste, este no es el caso cuando se calcula los gastos de mantenimiento y tiempo de desarrollo, siendo posiblemente la opción más desaconsejada.
Sólo es una opción viable cuando un microcontrolador ya está presente en la tarjeta. Sin embargo, los diseñadores de hardware y software necesitan trabajar duro para garantizar que esta integración dificultosa se lleva a cabo correctamente.
Para aplicaciones donde la calificación de software no es importante, esta opción podría ser cara, ya que el diseño FPGA se tiene que modificar cada vez que el programa se revisa, convirtiéndose en una solución lenta y costosa.

Configurador Atmel
Atmel ha desarrollado memorias de configuración para FPGA durante los últimos diez años y ha buscado la simplificación del trabajo del diseñador. La familia AT17C o AT17LV se presenta con rangos de densidad de 65 Kb a 4 Mb con compatibilidad pin a pin con muchos componentes OTP de otras compañías del mercado. Atmel ha introducido recientemente su familia AT17F ‘ecológica’ basada en Flash con un rango de 4 a 32 Mb.

Familia AT17FXX
Todos los componentes de la serie AT17xx son reprogramables en el sistema mediante un interface serie de dos cables. Este protocolo limita la sobrecarga de pin de configuración y permite una actualización “fuera de campo” fácil, como ya han experimentado muchos microcontroladores y procesadores que tienen este interface on-chip.
El encapsulado de 8 pines se encuentra disponible desde la densidad mínima a 16 Mb. Muchos FPGA se pueden configurar con el encapsulado. En caso de un cambio de especificación de FPGA, un diseñador puede mantener las mismas dimensiones en el Configurador. Para aplicaciones donde el espacio de tarjeta es el factor fundamental esta es la solución ideal.
La serie AT17xx también dispone de características muy útiles, tales como una opción de pin de selección de página para posibilitar la aplicación de cuatro configuraciones diferentes. Este modo ofrece a los usuarios la capacidad de almacenar y recuperar múltiples flujos de bit de configuración con un solo dispositivo.
Para acceso serie, el ratio de datos de configuración podría soportar hasta 33 Mbps, logrando un tiempo de descarga de configuración rápido sin gastar I/O FPGA.

Memoria libre
El FPGA no suele utilizar todo el tamaño de memoria del Configurador. El AT17Fxx ofrece la posibilidad de usar este espacio para almacenar parámetros extra usando el interface 2-wire, comportándose como un dispositivo serie 24Cxx. Por lo tanto, al combinar dos funciones (descarga FPGA y almacenamiento de parámetros) en un chip, se reduce el coste total del sistema.

Programación
Durante la fase de desarrollo de prototipo, el AT17F puede ser programado desde un PC usando el cable de programa ISP ATDH2225. El software libre y fácil de usar CPS es una forma sencilla de implementar la característica ISP. Por consiguiente, existe la capacidad de implementar el algoritmo de programación en el propio microcontrolador con el código fuente suministrado por Atmel.
El AT17Fxx también se puede programar usando la tarjeta de programación ATDH2200E y el propio adaptador. Además, es soportado por la mayoría de vendedores third party.

Solución de la competencia para el configurador
Algunas compañías del mercado ofrecen una opción JTAG para ISP, que es una buena solución para prototipos. No obstante, tiene inconvenientes significativos debido a que requiere cinco pines para programar y la dificultad de implementar emulación de microcontrolador.
Otros suministradores de FPGA de bajo coste han iniciado una nueva tendencia que usa dispositivos estándares SPI o SPI-like para la configuración. De nuevo, existen dificultades de programación en este tipo de sistema.
Los primeros FPGA necesitan ser configurados con un gestor de protocolo de memoria especial antes de programar la memoria estándar. Si esto se realiza a través de un microcontrolador externo, se tiene que llevar a cabo una gestión especial para evitar conflictos en los buses, que pueden provocar inconvenientes al reprogramar, complicando las actualizaciones “fuera de campo” y reduciendo el ratio de datos durante la descarga.
El kit de programación ATDH2200E de Atmel incluye tarjeta de programación ATDH2200, adaptador PLCC de 20 pines ATDH2222, guía de usuario, cable paralelo estándar, cable Ribbon de 10 pines para ISP, fuente de alimentación, dispositivos AT17 y documentación online.

Conclusión
Entre todas las opciones presentadas para configurar FPGA basados en SRAM, la familia del configurador AT17Fxx de Atmel dota de la forma más sencilla y fácil, eliminando las desventajas de coste y ofreciendo más características por menos dinero.

7 September 2006 | Artí­culos | Noticia leída: 3163 veces