Cours et TP FPGA

Institut Universitaire de Technologie de CRETEIL-VITRY
Département de Génie Électrique et Informatique Industrielle
MC-ENSL1 - Composants programmables complexes
COURS /TP
FPGA
Année universitaire 2013-2014
J. VILLEMEJANE - [email protected]

IUT Créteil - GEII - MC-ENSL1 - Composants programmables complexes COURS /TP
Consignes
Faire valider le code par l’enseignant avant la programmation de la carte
Faire valider chacun des exercices par l’enseignant
Il vous est conseillé de faire un compte-rendu de chacun des TP
Répartition des séances
Séance 1 (cours/TP) : Introduction (TP0 et TP1)
Séance 2 (cours/TP) : Structuration-Simulation (TP2)
Séance 3 (TP) : Structuration-Simulation (TP2)
Séances 4 et 5 : Affichage multiplexé (TP3)
Séance 6 : TP Test 1
Séances 7 à 9 : Projet
Séance 10 : TP Test 2
Table des matières
TP0 - Systèmes logiques programmables 4
TP1 - Développement d’un système numérique 10
TP2 - Structuration et simulation 16
TP3 - Affichage multiplexé 20
TP4 - Mise en oeuvre d’un microcontroleur simple 23
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GEII - MC-ENSL1 TP 0
Systèmes logiques programmables
Objectifs
Découvrir l’architecture des FPGA.
Découvrir la carte d’étude BASYS de Digilent.
Dans le domaine des systèmes numériques, il existe deux grandes sortes de composants :
les processeurs (et dérivés : microcontroleurs, DSP...) qui font du traitement séquentiel
les composants programmables qui font du traitement parallèle
Il existe trois grandes catégories de systèmes logiques programmables :
les CPLD (Complex Programmable Logic Device)
les FPGA (Field Programmable Gate Array)
les ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
Les CPLD sont de conception plus anciennes et ont généralement des capacités moindres que les FPGA. Cependant,
ils sont encore largement utilisés dans des systèmes logiques (combinatoire ou séquentiels).
Dans les deux cas, ce sont des réseaux logiques programmables composés de nombreuses cellules logiques élé-
mentaires librement assemblables. Nous allons ici étudier plus en détails les FPGA, les CPLD ayant déjà été abordés en
première année (module ENSL1).

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1. Les FPGA
Ces systèmes programmables sont initialement destinés au prototypage de systèmes numériques complexes. Ils
sont une bonne alternative aux circuits spécifiques, les ASIC (Application Specific Integrated Circuit), pour des petites ou
moyennes séries.
Il existe plusieurs grands fabricants : ALTERA,ACTEL (composants spécialisés) et XILINX. Pour les TP, nous
utiliserons des FPGA de chez Xilinx.
1.1. Implantation
Chaque fabricant propose aussi des composants de taille variable : de 100.000 à10.000.000 portes logiques. Par
comparaison, les portes standards commerciales possèdent entre 2 et 8 portes logiques pour une surface de silicium
quasiment identique.
Quelque soit la technologie utilisée, aucune porte logique n’est réellement implantée. Il s’agit en fait de blocs
logiques programmables, mais très versatiles (RAM), et d’une mer de connexions programmables. Chez Xilinx, ces
blocs logiques sont appelés CLB (Common Logic Blocks).
1.2. Avantages et inconvénients
Très haute densité
Grande vitesse (100 MHz à quelques GHz)
Très grand nombre d’entrées/sorties (boîtiers BGA)
Prix élevé (mais en baisse)
Alimentation difficile (plusieurs tensions, courants élevés, connexions multiples)
Volatiles (cellules RAM)
Circuits imprimés (PCB - Printed Circuit Board) multicouches
2. Structure d’un FPGA - Xilinx
L’architecture, retenue par Xilinx, se présente sous forme de deux couches : une couche circuit configurable et un
réseau de mémoire SRAM. La structure d’un FPGA est donnée dans la figure suivante. L’échelle est loin d’être réelle,
les fonctions logiques n’occupant qu’environ 5% du circuit.
Figure 1 – Structure d’un FPGA
Les FPGA sont un rassemblement et une combinaison de différents blocs : d’entrées/sorties (IOB - Input Output
Blocks), de routage (PSM - Programmable Switch Matrix), de logique programmable (CLB - Configurable Logic
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