LE FLOCH Olivia DENIS Guillaume RAMIREZ Guillaume SPE D1

FPGA
LE FLOCH Olivia
DENIS Guillaume
RAMIREZ Guillaume
SPE D1

Table des mati`eres
1 Introduction 3
2 Int´erˆets des circuits programmables 4
3 M´emoires actives programmables 6
3.1 Circuits num´eriques synchrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.1 Mod`ele de la logique synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.2 Composants de la logique synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.1.3 Le registre synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.4 Assemblage de circuits synchrones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.5 R´ealisation physique des composants . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 D´efinition d’une m´emoire active programmable . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Diff´erent Composants programmables 11
4.1 circuitASIC................................... 13
4.1.1 Les circuits semi personnalis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.2 Les circuits personnalis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.1.3 Avantages et inconv´enient de l’utilisation d’ASIC . . . . . . . . . . 16
4.2 CircuitsSPLD ................................. 17
4.3 CircuitsCPLD ................................. 19
4.4 CircuitsFPGA ................................. 20
4.4.1 Architecture............................... 21
4.4.2 graindescircuits ............................ 22
4.4.3 Capacit´e des composants SRAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4.4 Comparaison avec les autres technologies . . . . . . . . . . . . . . 25
4.4.5 M´ethodologie de synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.6 Synth`eseduFPGA........................... 31
5 FPGA `a base de LUT 32
5.1 Pr´esentation du probl`eme et d´efinitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Synth`ese combinatoire pour FPGA `a base de LUT . . . . . . . . . . . . . 38
6 Annexe 40
6.1 Abr´eviation ................................... 40
6.2 Bibliographie .................................. 41
7 Conclusion 42
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Chapitre 1
Introduction
Les progr`es des technologies utilis´ees dans les syst`emes d’information permettent
d’acc´eder `a des applications demandant de plus en plus de puissance de calcul. Malgr´e les
nombreux avantages des solutions logicielles, leur coˆut n’est pas toujours optimal et leurs
performances ne sont plus suffisantes.
En 1985, la soci´et´e Xilinx introduisait un niveau type de circuit ´electronique appel´e
FPGA (Field-Programmable Gate Array) destin´e `a remplacer de petites quantit´es de lo-
gique discr`ete. Le principe de ces m´eta-circuits, d´eriv´es des PLA (Programmable Array
Logic), est de fournir une certaine quantit´e de logique enti`erement programmable ; apr`es
une phase de configuration, le FPGA se comporte comme le circuit d´ecrit par sa program-
mation. L’originalit´e des FPGA Xilinx est de stocker la configuration dans une m´emoire
vive statique (SRAM), permettant ainsi de reprogrammer ces circuits `a volont´e, y compris
dans un syst`eme en train de fonctionner. Xilinc a lanc´e le FPGA et est `a pr´esent le plus
gros constructeur du march´e, cependant il est concurrenc´e par Altera qui d´eveloppent un
type de circuits diff´erents.
Il existe de nombreuses architectures de circuits programmables et reprogrammables.
La plus populaire aujourd’hui est celle des FPGA. A cˆot´e des industries florissantes
de la conception logicielle et de circuits, les syst`emes programmables encore une fois
repr´esentent une faible partie du march´e, mais c’est un domaine en pleine ´emergence. Tout
au long de cet expos´e, nous allons essayer d’expliciter les avantages et les inconv´enients
de l’architecture FPGA affin de comprendre pourquoi cette technologie est la plus avan-
tageuse.
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Chapitre 2
Int´erˆets des circuits programmables
Le d´eveloppement de nouvelles architectures a pour but d’augmenter les performances
et la rapidit´e du syst`eme. Trois approches technologiques existent aujourd’hui pour l’im-
plantation des syst`emes performants, caract´eris´es par leur degr´e de flexibilit´e:
>la premi`ere bas´ee sur les processeurs g´en´eralistes
>la deuxi`eme se base sur la d´efinition d’architectures compl`etement d´edi´ees
>la troisi`emes bas´ee sur des circuits programmables
Pour accroˆıtre la puissance des processeurs g´en´eralistes, on a deux possibilit´es: soit
augmenter la fr´equence d’horloge ou exploiter le parall´elisme. Cependant la puissance
que ces processeurs fournissent ne suffit pas dans le cas d’applications tr`es gourmandes
en termes de calcul, et/ou exigentes en termes de performance, de consommation ou de
place. De plus leur coˆut financier est relativement important dans le cas d’applications
sp´ecialis´ees de large diffusion, ou leur flexibilit´e n’est pas n´ecessaire.
Les architectures d´edi´ees en revanche fournissent la puissance de calcul et les perfor-
mances requises. Les applications en traitement du signal sont un exemple type de cette
classe de circuit. Les ASIC sont des architectures sp´ecialis´ees et font donc partie des archi-
tectures d´edi´ees. Les circuits ASIC n´ecessitent malheureusement de d´eveloppement tr`es
´elev´e ce qui implique un coˆut ´elev´e; cependant le coˆut de production unitaire est faible.
Le probl`eme majeur r´eside surtout dans le temps de d´eveloppement, car il entraˆıne le
probl`eme de l’´evolution rapide des technologies. Le d´eveloppement d’un circuit ASIC est
donc une solution pour la production de grande s´erie de circuits d´edi´es.
Les circuits programmables constituent une solution interm´edaire entre les syst`emes
g´en´eralistes et les architectures d´edi´ees et s’appuie sur la technologie en plein essor des
circuits programmables, en particulier de type FPGA. Ces circuits offrent une achitectures
`a moindre coˆut, par programme, sans passer par le processus de fonderie long et coˆuteux
des circuits ASICS. On obtient d’importantes performances, car les calculs sont r´ealis´es
de mani`ere cabl´ee et sp´ecialis´ee. De plus ces circuits sont reprogrammable; on parle donc
de circuits d´edi´es `a une application temporaire.
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De ce fait ces circuits ont un coˆut de revient plus ´elev´e que les ASICS. L’avantage
des circuits programmable r´eside dans la rapidit´e de mise au point qu’ils procurrent. ils
permettent donc une mise au point rapide et ´evolutive. Un circuit logique programmable
regroupe, sur une mˆeme puce, des composants logiques configurable et des bascules. Des
interconnections programmables relient les ressources logiques entre elles. Des cellules de
configuration m´emorisent les fonctions r´ealis´ees par la logique et la mani`ere dont celle-ci
sont interconnect´ees pour fournir les r´esultats demand´es. Les ´evolution des architectures
programmables permettent aujourd’hui d’int´egrer jusqu’`a 500 000 portes sur un mˆeme
FPGA de type SRAM, reconfigurable `a volont´e.
Trois grandes classes de circuits logiques cohabitent aujourd’hui :
>SPLD
>PAL
>CPLD
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