Module VHDL et FPGAs

Présentation du Module

• Le module porte sur la conception de composants programmables et l'utilisation du langage HDL (Hardware Description Language), en particulier VHDL.
• L'introduction aux FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) est au cœur du programme.
• Le formateur est Chiraz Trabelsi, [email protected].
• Le module dure 6 semaines.

Organisation du Module

• Cours intégrés : 6 séances (9 heures).
• Travaux pratiques (TP) : 12 séances (18 heures).
• Évaluations : incluant un examen et des travaux pratiques.
• Mini-projet.

Implémentation Matérielle

• Un algorithme peut être implémenté soit par une approche logicielle (exécutée par un processeur) ou matérielle (exécutée par des portes logiques et/ou des composants analogiques).
• L'implémentation matérielle permet un haut degré de parallélisme, contrairement à l'approche logicielle qui est séquentielle.
• Les ressources matérielles limitent l'implémentation parallèle à un certain niveau (contrairement au processeur où le parallélisme reste limité).
• Le temps de conception et le coût des ressources matérielles sont des facteurs importants.
• Le temps de mise sur le marché est plus long pour l'implémentation matérielle que pour l'implémentation logicielle.

Les Circuits Intégrés

• Les circuits intégrés standards ont des fonctionnalités spécifiques (multiplexeur, encodeur, mémoire, microprocesseur).
• Les circuits ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) sont optimisés pour des applications spécifiques. Ils offrent une augmentation de la performance et une consommation réduite.
• Les ASICs peuvent être entièrement personnalisés ou semi-personnalisés.
• Les circuits configurables (PLDs) permettent une personnalisation des connexions et des blocs logiques.
• Les CPLDs sont des PLDs qui combinent plusieurs PALs/GALs, avec des interconnections reprogrammables.
• Les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sont des circuits configurables avec une structure de matrice de cellules logiques reprogrammables. Ils offrent une flexibilité et un parallélisme importants.
• Les FPGAs sont de plus en plus utilisés pour diverses applications, ils permettent une grande capacité de calcul.
• Les fabricants principaux de FPGAs sont Xilinx, Intel (Altera), Lattice Semiconductor, Microchip, Cypress, et QuickLogic.
• Les FPGAs intègrent des processeurs et des blocs logiques (DSP) et optimisent la performance pour le traitement numérique de signal.

Structure d'un FPGA

• Les blocs logiques (ALM), les blocs mémoires, les blocs d'E/S, et les blocs DSP.
• La structure des FPGAs, incluant les différentes configurations de circuits.
• Les différentes implémentations des E/S permettent une meilleure robustesse et un grand choix de standards disponibles.
• Les blocs DSP sont optimisés pour les opérations de base comme le traitement numérique de signal.

Comparaison avec les Autres Plateformes

• Les FPGAs offrent un outil de prototypage rapide et une adaptation facile aux évolutions des normes de communication.
• Ils offrent une grande capacité d'implémentation parallèle avec une flexibilité qu'on ne trouve pas dans les CPUs/MPUs et les GPUs.
• Les FPGAs offrent une faible consommation d'énergie et la possibilité de concevoir des blocs mémoires intégrés.

Domaines d'Application

• Les domaines d'application des FPGAs incluent l'entrepris (Data Analytics, Intelligence Artificielle, traitement d'images/vidéo), et l'embarqué (automobile, robotique, télécommunication, etc.).

Comment Programmer un FPGA

• Le module propose trois méthodes pour programmer un FPGA :
• schématique,
• l'utilisation d'un langage matériel comme VHDL,
• et la synthèse haut niveau.
• La traduction automatique du code HDL en un circuit est cruciale.

Le Langage VHDL

• VHDL est un langage de description matérielle qui décrit la structure et le comportement d'un circuit numérique.
• Il existe des versions standards (IEEE).
• Des langages similaires pour la modélisation de composants (ex. Verilog) existent.

Flot de conception

• Le processus de conception d'un système à l'aide du langage VHDL.
• Chaque étape (simulateur, synthèse, Placement et routage et programmation de la carte) et vérification du résultat.

Restes du Module

• Le module implique la maîtrise des règles pour la construction de codes VHDL performants.
• Comprendre le langage permet de choisir la meilleure solution de conception.

Ce quiz évalue vos connaissances sur la conception de composants programmables à l'aide du langage VHDL et l'utilisation des FPGAs. Vous découvrirez les différences entre les implémentations matérielles et logicielles ainsi que les enjeux du parallélisme. Testez vos compétences tout au long de ce module de 6 semaines.