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FPGA, µC, µP quelle est la solution?

REALISE PAR:BIBARI WAELHARD&SOFT DEVELOPER INDUSTRIAL DEVISION

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Plan Microprocesseur

µP-Exemples

Microcontrôleur µC-Exemples

FPGA Outils de CAO

FPGA,µC,µP quelle est la solution? Système Embarqué µC VS µP Usage des µC et µP Usage des FPGAs

Evolutions-CODESIGN Les nouvelles utilisations des FPGAs Le CODESIGN Flot de CODESIGN

Conclusion

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Microprocesseur

• Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes.

Microprocesseur

Il y a un compteur d'adresse, de pile, un accumulateur, une ALU, des registres. Et il faut rajouter des tas de périphériques externes : RAM ROM I/O UART etc.

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Microprocesseur-Exemples

 

Processeur INTEL

Processeur NVIDIA de la carte graphique

Processeur PowerPC de IBM et Motorola

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Microcontrôleur • Un microcontrôleur est un circuit intégré qui rassemble les

éléments essentiels d'un ordinateur : processeur, mémoire (mémoire morte pour le programme, mémoire vive pour les données), unités périphériques et interfaces d’entrées-sorties. Les microcontrôleurs se caractérisent par un plus haut degré d'intégration, une plus faible consommation électrique (quelques milliwatts en fonctionnement, quelques nanowatts en veille), une vitesse de fonctionnement plus faible (quelques mégahertz à quelques centaines de mégahertz) et un coût réduit par rapport aux microprocesseurs polyvalents utilisés dans les ordinateurs personnels.

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Microcontrôleur

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Microcontrôleur-Exemples

Microcontrôleurs de MICROCHIP appelés PIC

Microcontrôleur de PHILIPS

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FPGA

• Composant, constitué d’un ensemble de ressources logiques élémentaires configurables pouvant être mises en relation par un réseau d’interconnexions aussi configurable

FPGA : Field Programmable Gate Array

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LA FAMILLEALTERA

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FAMILLE

XILINX

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• Tous les fabricants de FPGA proposent des outils de CAO, passage obligé pour configurer leurs circuits:

pour Xilinx c’est ISE - Foundation

pour Altera c’est Quartus ou MAX + II

• Avec ces outils on peut réaliser tout le flot de conception de la synthèse à la configuration. Pour certaines phases du flot ces outils font en fait appel à d’autres outils

FPGA

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Autres outils de CAO

Flot FPGA

Synthèse

Simulation

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FPGA

• AVANTAGES

• possibilité de prototypage

• Time-to-Market faible

• adaptabilité aux futurs évolutions grâce à la reconfiguration

• flexibilité

• INCONVENIENTS

• intégration limité par les ressources de routage

• performances

• prix à l’unité élevé pour de grosses productions

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FPGA, µC, µP quelle est la solution?• Aujourd’hui les systèmes numériques font de plus en plus

appel conjointement à des ressources logicielles micro-programmées (µP, µC, DSP) et des ressources matérielles reconfigurables (FPGA)

• D’où l’idée de mettre sur une même puce un cœur de microprocesseur et un cœur de logique configurable, les deux étant optimisés technologiquement

• Le cœur de processeur peut prendre environ 10% de la surface totale de la puce

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Système Embarqué

• L’Architecture sera faite avec les Ingénieurs Informaticiens « Embarqués » et Ingénieurs Electroniques.Ensuite, les électroniciens vont sélectionner le cœur du système : FPGA et/ou CPU (µC, µP).Avec les données client : Production Annuelle, Prix de Revient produit, aide des technico-commerciaux (coût, disponibilité…), la référence du cœur sera arrêtée.

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Système Embarqué

• Altera propose le circuit Excalibur contenant :

• une partie configurable : type APEX 20K1000

• un cœur de processeur : ARM9 (32 Bits) à 200MHz

8 K octets de cache Instructions

8 K octets de cache Données

Matrice FPGA

Cœur ARM 922T

RAM simple portRAM double port

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Système Embarqué

PLL

Timer

UART

InterruptControllerWatchdog

Timer

JTAG

128 Kbytes SRAM64 Kbytes DPRAM

32 Kbytes SRAM16 Kbytes DPRAM

256 Kbytes SRAM128 Kbytes DPRAM

DPRAM

XA1

XA4

XA10

TraceModule

ARM922T

SRAM SRAM SRAM

DPRAM DPRAM

ExternalMemoryInterfaces

Processor & Interfaces

I-CACHE D-CACHE

ARM 8K Bytes 8K Byte

LEs 4160

ESB Bytes 6.5K

LEs 16400

ESB Bytes 26K

LEs 38400

ESB Bytes 40K

FPGA

Coeur de processeur

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µC VS µP

Anciennement, un microcontrôleur était moins puissant qu'un microprocesseur ... ce n'est plus vrai. il y a des µC 32 bits plus puissant qu'un µP 8 bitsQuand je parle de 32 ou 8 bits, ce n'est pas le nombre de bit I/0, mais la largeur du bus data de la mémoire RAM. Plus il est large, plus on peut traiter, d'un seul coup, des entiers grands. Pour déterminer la puissance réelle, il faut considérer l'architecture, la fréquence d'horloge et l‘âge du capitaine.

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Usage des µP et des µC

Classement grossier de l'usage des µP et des µC:• Un µP est utilisé dans un ordinateur (ou très connexe ex. un

routeur). • Un µC est utilisé dans un appareil qui n'est pas de

l'informatique à la base mais qui a besoin d'automatismes.• En fait la différence n'est pas si tranchée et surtout est une

question de coût.• Dans certain cas il est plus rentable de construire une carte

avec un µC car les volumes produits sont grands (ex. les calculettes, les lecteurs mp3, etc.). L'usage d'un µC est plus remarquable dans le domaine de l'industrie ou l'on souhaite actionner des périphériques (ex. la résistance chauffante, le moteur, l'affichage, etc. d'une machine à laver).

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• Dans d'autres il est plus intéressant de mettre des ordinateurs style PC en rajoutant un périphérique spécifique pour faire fonctionner l'appareil (ex. certains Distributeurs Automatiques de Billets).

• L'augmentation de puissance profite autant aux µP qu'aux µC.• Il est probable aussi que l'intégration de plus en plus

importante fera que les parties externes des ordinateurs (mémoire, gestion des interruptions, etc.) vont se retrouver dans le boitier du µP . On a déjà commencé avec la mémoire cache et les chip set.

• On peut "prédire" que dans quelques années la distinction entre µP et µC ne se fera plus.

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• Les FPGAs servent principalement au prototypage : Avant de graver un circuit en silicium et le mettre sous forme

d'IC on peut le tester entièrement (HW et SW) sur une carte FPGA avant de lancer ça production.

Pour revenir à ce qui a été dit avant, un exemple typique d'utilisation combiné µP ou µC avec FPGA consiste en l'ajouts d'instructions non implémentées sur le capitaine d'origine.

Usage FPGA

2323Architecture, Conception et Utilisation des

FPGA 23

EVOLUTIONS

CODESIGN

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Les nouvelles utilisations des FPGA

Longtemps réduit au prototypage, aujourd’hui les FPGA sont utilisés, pour leur capacité de reconfiguration, dans des systèmes électroniques complexes, même pour de la grande série.

• le CoDesign pour le Run Time Reconfigurable

• les SORC : System-On-a-Reconfigurable-Chip

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Le CoDesign

Définition : Les méthodes de CoDesign sont des méthodes de développement simultané (de manière concurrente) des parties HW et SW (spécification, design, vérification)

SW = microprocesseur HW = FPGA ou ASIC

Buts :

• Gérer au mieux l’hétérogénéité de la nature des fonctions qui composent le système (du logiciel à l’architecture reconfigurable)

• Comparer les différents choix de partitionnement

• Définir les interfaces entre le SW et le HW

• Valider le système complet (co-vérification et co-simulation)

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Flot de CoDesign

SPECIFICATION HAUT NIVEAU DE L’APPLICATION

ESTIMATION SYSTEME

ESTIMATION LOGICIELLE ESTIMATION MATERIELLE

PARTITIONNEMENT

SYNTHESE LOGICIELLE SYNTHESE MATERIELLESYNTHESE INTERFACE

COSIMULATION

IMPLEMENTATIONHW et SW

TESTS

ordonnancement de l’applicationproposition de candidats HW et SW

Choix des réalisation HW ou SW

Retour d’expérience

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Conclusion

Le domaine des architectures reconfigurables est un domaine en extension il est nécessaire de faire des travaux de recherches sur :

• Architectures basse consommation de puissance (Low- Power)

• Architectures hétérogène (HARD + SOFT)

• Co-conception (Co-Design)

• Outils d’estimation de performances haut niveau

• Outils d’exploration de l’espace de conception

28Architecture, Conception et Utilisation des

FPGA 28

MERCI ...

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