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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