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Mise en oeuvre de l'auto-reconfiguration partielle et dynamique sur FPGA Xilinx Virtex-II pro

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par Guy WASSI
Université Pierre et Marie Curie (Paris VI Jussieu) - Master informatique industrielle et systèmes automatisés 2005
  

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2.2 Architecture des FPGAs

2.2.1 Introduction

C'est une famille de puces électroniques introduite par la société Xilinx. Les FPGAs sont les premières architectures reconfigurables à avoir été proposées. Ils ont l'avantage d'être recongurables à souhait. Ils comprennent des blocs configurables qui permettent de générer des fonctions logiques combinatoires ou séquentielles sur 1 bit. Ainsi, en associant plusieurs éléments configurables de 1 bit par le biais d'interconnexions tout aussi programmables (Figure 4), l'utilisateur est capable de générer n'importe quelle fonction logique.

Si le nombre d'unités configurables est suffisamment important, il est possible, en associant ces blocs, de recréer un système entier. C'est pour cette raison que ces composants sont utilisés pour faire des prototypes de circuits, avant de les envoyer chez le fondeur de silicium. Son développement s'est accéléré sous la double pression du «Time-To-Market»1 et de «FirstTime-Right»2 (minimiser d'une part le temps de développement et de mise sur le marche des circuits digitaux et d'autre part éviter toute défaillance dans leur conception).

2.2.2 Principe de fonctionnement et Architecture Interne des FPGAs

La structure interne ainsi que la technologie utilisées dans les FPGAs varient suivant les fabricants. Mais la structure globale de la Figure 4 (si on y rajoute les entrées/sorties programmables) est valable indépendamment des fabricants. En général le bloc configurable est bati autour d'un LUT (Look-Up-Table, voir Figure 5). Un LUT permet d'implémenter toute fonction combinatoire (ou séquentielle, d'où le flip-flop de sortie) à quatre entrées.

La Figure 6 présente l'implémentation d'une fonction combinatoire a l'aide d'une LUT. La table de vérite de la fonction est stockée dans une RAM connectée à un multiplexeur. Configurer une LUT revient donc à stocker la table de vérite de la fonction dans sa RAM et à router les signaux a, b et c vers les entrées de sélection du multiplexeur.

1 Le Time-To-Market qui traduit donne «temps de mise sur le marché» est vrai challenge pour reduire le temps de developpement d'un nouveau produit électronique afin de s'adapter a la reduction croissante du cycle de vie de produits électroniques grands publics.

2 Le First-Time-Right par contre traduit la nécessité d'éviter toute erreur dans la conception d'un circuit avant l'envoi chez le fondeur d'ASIC; en effet un ASIC défectueux coute en NRE (Non Recurring Engineering), cette somme que les fournisseurs d'ASIC facturent au concepteur des le démarrage de processus de fabrication. Dans tous les cas, le cout de la technologie ASIC contribue largement a l'émergence des FPGAs.

Figure 4 : Structure globale des FPGAs [14]
Figure 5 : Un LUT (Look-Up-Table) [14]

Figure 6: Implémentation d'une fonction Y = ab + (non)C [14]

Grâce à sa granularité fine, on est capable avec un circuit FPGA d'exploiter le parallélisme autant qu'avec un circuit spécifique ASIC dans la mesure où l'on est capable de le recréer entièrement par association des éléments configurables. Mais cette fine granularité qui offre toute la flexibilité logique voulue est au prix d'une performance moindre comparée aux ASICs. En effet, elle apporte deux problèmes :

- La baisse de la fréquence de fonctionnement due au temps de propagation des signaux.

- L'augmentation des temps de reconfiguration requis, ce qui peut empêcher par exemple d'enchaîner sur le même circuit deux configurations pour des applications à contraintes temps réel [2].

Grâce aux avancées technologiques, les FPGAs sont envisagés aujourd'hui (sur les plans du coût et des performances) comme une alternative entre les solutions dédiées très performantes (ASIC) et les solutions programmables très flexibles (processeurs et DSP). Les principaux fabricants proposent aujourd'hui des FPGAs intégrant jusqu'à 10 millions de portes logiques, et sur lesquels on peut même synthétiser un coeur de microprocesseur (Microblaze sur FPGAs Xilinx [21], Nios sur ceux d'Altera). De même, les FPGAs à mémoire de configuration de type SRAM1 permettent la reconfiguration dynamique. C'est le cas du Virtex-II Pro.

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