Sahada programlanabilir kapı dizileri kullanılarak sayısal tasarım kartı gerçeklenmesi

Abstract

Bu tezde, sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA) kullanılarak, çeşitli sayısal donanım uygulamalarında kullanılmak üzere, genel amaçlı sayısal tasarım kartı gerçeklenmiştir. Kartın, donanım tanımlama dilleri (HDL) ve FPGA uygulamaları gibi konularda eğitim amaçlı olarak kullanılması da mümkündür. Sayısal tasarım kartı üzerinde, uygulamaların gerçeklenmesinde kullanılan, programlanabilir devre elemanları, bilgisayar arayüzü, tek ve çift portlu uçucu bellek elemanları gibi temel birimler yer almaktadır. Kart, her türlü sayısal tasarımın gerçeklenebilmesi için esnek ve modüler bir yapıda tasarlanmıştır. Gerçeklenen sayısal tasarım kartı, herhangi bir sayısal tümdevrenin prototip geliştirme sürecinde, tasarım geliştirme ortamı olarak kullanılabilir. Tasarlanan sayısal donanım, FPGA'lara yüklendikten sonra, çeşitli test vektörleri uygulanarak tasarım test edilebilir. Tasarım sırasında oluşacak hataların düzeltilmesi, tasarlanan devrelerin fonksiyonlarının değiştirilmesi veya başka fonksiyonların eklenmesi sayısal tasarım kartının tekrar düzenlenebilir yapısı sayesinde kolaylıkla yapılabilir. Bunun yanında gerçeklenen uygulamanın donanım tabanlı olması, tasarımın hız performansı açısmda oldukça büyük avantajlar sağlamaktadır. Sayısal tasarım kartı üzerinde bulunan iki adet sahada programlanabilir kapı dizisi tasarımcıya toplam, 100.000 kapılık lojik tasarım ortamı sağlamaktadır. Programlanabilir kapı dizilerinin, birbirlerinden bağımsız olarak programlanabilmesi; bağımsız iki tasarımın aynı anda kart üzerinde gerçeklenmesine olanak sağladığı gibi karmaşık tasarımların bu iki programlanabilir kapı dizisi arasında paylaştınlmasma da olanak sağlamaktadır. Kart üzerinde, gerçeklenecek tasarımların gereksinim duyacağı bellek ihtiyacım karşılamak amacıyla tek ve çift portlu bellek elemanları yer almaktadır. Çift portlu bellek elamanları, hızlı bellek erişimleri gerektiren uygulamalarda okuma ve yazma işlenılerinin aynı anda yürütülmesine olanak vermektedir. Sayısal tasarım kartının bilgisayar ile olan arayüzü, bilgisayarın seri haberleşme portu kullanılarak sağlanmaktadır. Bilgisayar arayüzü, tasarımların test edilmesinde kullanılabileceği gibi gerçekleştirilecek tasarımların çalışmaları sırasında ihtiyaç duyacakları kontrolü de sağlamış olur. Kart üzerinde gerçeklenecek tasarımlara işaret alış verişleri, kart üzerinde bulunan 72 pinli 2 konnektör tarafından sağlanmaktadır. Sayısal tasarım; görüntü ve sinyal işleme, çeşitli kodlama ve kod çözme yöntemleri, sayısal filtre tasarımı vb. birçok alanda çeşitli uygulamaların gerçeklenmesinde kullanılabilir. Kartın performans değerlendirmesi için, iki adet örnek uygulama gerçeklenmiştir. Bunlar seri haberleşme birimi ve bulanık kontrolördür. Yapılan vm testler ile tasarlanan kartın, bu uygulamaları başarıyla gerçeklediği görülmüştür. Tasarım, hiçbir uygulamaya kısıtlama getirmeyecek şekilde esnek ve geliştirilebilir yapıda gerçeklenmiştir. Bu çalışma; sayısal tasarım ortamı geliştirme, tekrar programlanabilir işlem sistemleri ve çok FPGA'lı sistemler konularındaki gelecek çalışmalara ilk adım olacaktır.

In this thesis, an FPGA based, digital design board has been implemented to perform miscellaneous computations and to implement various digital hardware. The board consists of basic blocks such as programmable components, which are used in the implementation of applications, computer interface, non- volatile single and dual port memory elements. The board has been designed in flexible and modular structure so that every kinds of digital design can be implemented. The digital design board can be used as a developing environment in the prototype development cycle of any digital integrated circuits. Designed circuit is loaded into the FPGAs and tested by applying various test vectors and reading the results from the tested design. Reconfigurable structure of the digital design board provides designers with the ability to modify and add circuit functions, besides this, as the application implemented is based on hardware, it provides speed advantage. Two FPGAs on the digital design board provide totally development environment with 100.000 gates. As programmable gate arrays can be programmed independently from each other, this provides to the implementation of two different designs simultaneously on the board as well as the partitioning of complex designs between these two programmable gate arrays. The digital design board has single and dual port memories in order to meet memory requirement of application to be implemented. The dual port memory devices allow the read and write operations from and to same or different address at the same time. Using serial communication port of the computer provides the interface between digital design board and computer. The interface can be used for testing designs and also it provides the control to be required during the work of designs, which will be implemented. Two 72 pin general-purpose header connector provide access to input output signal of FPGAs and can be used as test and user interface. The digital design board can be applied to image and signal processing, digital filter design, cryptographic and string matching problem through reconfigurable structure of the board. In this thesis two sample applications have been implemented which are serial communication unit and fuzzy controller for the performance evaluation of board. These applications have been tested and successful results have been taken. This thesis will be reference for future works on re-configurable computing and multi-FPGA systems.