أ) الترانزستورات هي المكونات الرئيسية في دوائر الديجيتال وتستخدم بشكل مبسط في في الدوائر البسيطة كمفاتيح فصل وتوصيل للتيار الكهربي
ب) دوائر الديجيتال البدائية وتكنولوجيا الـ (LSI(Large Scale Integration))
دوائر الديجيتال البدائية كانت قديما تستخدم دوائر أساسية بسيطة مثل دوائر (AND, OR, NOT)
تم تجميع هذه الدوائر في شريحة صغيرة تسمى الدائرة المتكاملة (Integrated Circuit)
واختصارا تسمى (IC)
ثم ظهر فيما بعد تكنولوجيا (LSI) والتي تقوم بتجميع دوائر معقدة داخل شريحة الكترونية صغيرة ومن أمثلتها (Decoder) و (Adder) و (Multiplier)
جـ) تكنولوجيا (VLSI) (Very Large Scale Integration)
وهي شريحة الكترونية اكثر تعقيدا من شريحة (LSI) تقوم بتجميع العديد من المكونات والدوائر في شريحة واحدة ومن أمثلتها (Processor) و (CPU) و (Communicaton Protocol)
د) ظهرت تكنولوجيا (Programmable Logic Devices) (PLD)
وهي شريحة الكترونية يتم فيها تجميع العديد من الدوائر المتكاملة ويتم توصيل هذه الدوائر بواسطة فيوزات والوظيقة التي تقوم بها الشريحة النهائة تعتمد على عملية البرمجة التي تتم لهذه الشريحة
وعملية البرمجة هذه عبارة عن حرق بعض الفيوزات التي تربط الدوائر الداخلية الموجودة في الشريحة
عملية الحرق هذه تؤدي الى فصل بعض الفيوزات بين الدوائر وترك الفيوزات الاخرى متصلة ومن أمثلة شرائح (PLD) شريحة (ROM) وشريحة (PAL) وشريحة (PLAs)
والفرق الرئيسي بين هذه الشرائح هو مكان الفيوزات التي يمكن حرقها والتوصيلات الثابتة التي لايمكن حرقها
نظرا لان هذه الدوائر الداخلية في شريحة (PLD) متصلة بواسطة فيوزات يتم حرقها عند البرمجة فانه لايمكن برمجة شريحة (PLD ) الا مرة واحدة فقط
هـ) الشرائح الالكترونية المصنعة لغرض محدد (ASIC)
وهي شرائح الكترونية يتم بناؤها لتنفيذ غرض محدد وهناك نوعان منها:-
1)النوع الأول شرائح تحتوي بداخلها على العديد من الدوائر الالكترونية
2)النوع الثاني شرائح تحتوي بداخلها على دائرة واحدة
وهذه الشرائح يتم ضبطها لتنفيذ غرض محدد أثناء عملية التصنيع
و) الشرائح الالكترونية المعقدة القابلة للبرمجة(CPLD)
هي شرائح الكترونية أكثر تعقيدا من شرائح(PLD) وتحتوي بداخلها على بلوكات من شرائح (PLD) وهي تشبه الى حد كبير في تعقيدها شرائح (PAL) التي سبق شرحها ولكن شرائح ((CPLD عدد الدوائر بها أكثر
الشرائح الالكترونية
Field Programmable Gate Arrays
(FPGA)
هي شرائح الكترونية تركيبها العام يسمح باستيعاب عدد كبير جدا من الشرائح الالكترونية وفي حين ان شرائح(CPLD) بها امكانية تواجد عدد كبير من الشرائح الالكترونية بداخلها فان شرائح (FPGA) تسمح بعدد محدود من الدوائر بداخلها ولكنها يتوافر بها عدد اكبر من دوائر الفليب فلوب(Flip-Flop) نسبة الى عدد الدوائر المسموح بها في شرائح (CPLD)
التركيب االداخلي لشرائح (FPGA)
أ) تتكون شرائح(FPGA) داخليا من بلوكات من الدوائر الالكترونية وكل بلوك يتكون من دوائر صغيرة موزعة على هيئة مجموعة من الخلايا(LOGIC CELLS) وتتكون كل خلية عادة من دائرة فليب فلوب (Flip-Flop)وبعض الدوائر الاخرى التي تختلف حسب كل من الشركة المصنعة (Vendor)والـ (Family)التي تنتمي لها شريحة الـ (FPGA)
ملاحظة ,,,
كل شركة مصنعة لشرائح FPGA تستخدم اسم خاص لوصف الخلايا وكيفية بنائها
ومن أمثلة هذه الأسماء (Logic Block)و(Logic Element)
ب) كما يتواجد داخل الخلايا (Logic Cells)دائرة LUT (Look up Tables)وهي تشبه الـ(ROMs) بعض أنواع شرائح FPGAيتواجد بها دوائر ذاكرة أخرى مثل SRAMو
(Dual Port Memory) و(CAM)وهي دوائر يتم استخدامها بشكل خاص إما في لغة (HDL)او باستخدام دوائر خاصة في عملية رسم الدوائر بالبرامج الخاصة schematic entry
جـ) وسائل الربط والتوصيل(Routing Resources) بين دوائر شريحة (FPGA)
وسائل الربط والتوصيل في شريحة (FPGA)هي قنوات توصيل
(Routing Channels)وأسلاك ومفاتيح تربط بين الدوائر الداخلية مثل دوائر Memory, LUT & Logic Cells
د) pinsأطراف التوصيل الخارجية
وبهذه الوسائل يمكن الربط بين الدوائر الداخلية في الشريحة أطراف التوصيل الخارجية (PINs) لشرائح (FPGA)
تختلف في كيفية توزيعها وترتيبها فبعض الشرائح يتم توزيع ترتيبها بطريقة
(TTL)أو(CMOS) أو(PCI) أو (AGP) او اي طريقة اخرى. لذلك فان شرائح (FPGA)يمكن ان تستخدم للربط بين تكنولوجيات مختلفة من تكنولوجيات الدوائر
هـ) pinsأطراف التوصيل الخارجية (Clock) و (PLL)
بعض شرائح (FPGA) تخصص أطراف توصيل ذات سرعة عالية للـ (Clock) و (Reset) وبعض شرائح (FPGA) يمكن ان يكون لها بلوكات للتحكم في ال (Clock) و (PLL) مثل
(ClockMultiplier) و (Divider)
أمثلة عن شرائح (FPGA)(من شركات مختلفة)
أ.(Xilinx Spartan and Virtex Families)
ب.(Altera Apex and Acex Families)
ج.(Actel)
د.(Lucent Orca Devices)
اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA)
هناك العديد من اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح (FPGA) ومنها
أ.لوحات عرض (Demo) للشرائح
ب.ولوحات اخرى لتطبيقات معينة (Applications )
هذه اللوحات تتراوح من :-
أ. لوحات مخصصة لشرائح (FPGA) الصغيرة يمكن ان تكون مزودة بـ (External Headers) ومجموعة توصيلات
ب. وحتى لوحات كبيرة ومعقدة مزودة بشرائح ربط أخرى (Interface Chips) وكذلك بشرائح (FPGA)
وفيما يلي بعض مصادر اللوحات الالكترونية المخصصة لشرائح(FPGA)
أ.Xess boards (some of them are suitable for beginners)
ب.Altera SOPC boards
أساليب تصميم برنامج شريحة (FPGA)
تصميم برنامج الشرائح الالكترونية واحد لكل المهندسين المتخصصين والطلبة والهواة والفرق الوحيد هو مدى تعقيد التصاميم والادوات التي يستخدمها المصمم والتي يمكن ان تتوفر بها امكانيات افضل لمعالجة التصاميم وتحليلها
وتمر عملية التصميم بمراحل هي:-
أ - تحديد الغرض من الشريحة
تحديد المشكلة المراد حلها والغرض من الشريحة ومانحتاج لتنفيذه والتي تعد خطوة مهمة قبل البدأ بالتصميم
ب - وضع التصميم
هذه الخطوة هي مانفعله عادة بواسطة الورقة والقلم ولكن يتم تنفيذها هنا بطريقة منظمة تعتمد على الكمبيوتر وهي اكثر الخطوات اهمية منذ بدء التصميم وهناك طريقتان لوضع التصميم هما:-
1) طريقة التصميم الأولى (رسم الهيكل البنائي للدائرة الكهرية) (schematic Entry)
ويعتبر ذلك مماثلا لرسم الهيكل البنائي لاي دائرة الكترونية وهي خطوة يتم فيها رسم المكونات الالكترونية على لوحة من الورق أومباشرة على صفحة (Sheet) ببرنامج الحاسوب ويتم توصيلها سويا. وهذه الطريقة غير مجدية للتصميمات كبيرة الحجم التي تحتوي على العديد من المكونات والدوائر
2) طريقة التصميم الثانية (كتابة برنامج باستخدام احدى لغات HDL)
هو الأسلوب الذي يصف تركيب الدوائر الالكترونية باستخدام برنامج كمبيوترواحدى لغات (HDL) مثل VHDL & Verilog هي لغات كمبيوتر مثل لغة الـ (C) والـ (C++) والـ (Pascal) والـ (Basic) .
جـ - المحاكاة (Simulation)
بالرغم من أن شرائح (FPGA) يمكن برمجتها ومسحها بسهولة في حالة حدوث خطأ ولكن في حالة التصميمات الكبيرة فانه من الافضل ان يتم اكتشاف الاعطال واصلاحها قبل ان تتم عملية البرمجة وبهذه الطريقة يمكن توفير الوقت اللازم لبرمجة شرائح (FPGA) لذلك نلجأ لعملية المحاكاة لاكتشاف الأعطال ومن ثم اصلاحها
د - تحليل التصميم (Synthesis)
هي عملية استنباط مكونات الدائرة التي تم تصميمها بواسطة لغة (HDL) لتحويل الوصف الى دوائر الكترونية وهذه الخطوة لاتستخدم في حالة استخدام اسلوب رسم الهيكل البنائي للدائرة
schematic Entry
هـ- وضع المكونات في أماكنها والربط بينها(Place and route)
هذه الخطوة تستخدم لمقابلة الدوائر المصممة بالدوائر والموارد المتاحة بالFPGA ووضع الدوائر بالاماكن المناسبة بالشريحة وبعد وضع المكونات في أماكانها يتم ربطهم سويا طبقا لتصميم الدائرة باستخدام قنوات التوصيل والأسلاك الداخلية. هذه الخطوة تربط كذلك بين أطراف التوصيل الخارجية للشريحة(pins) مع باقي أجزاء الدائرة الداخلية التي سيتم توصيل الشريحة بها
و- توليد الـ(Bit Stream)
عملية توليد الـ (Bit Stream) أو ملف البرمجة (Programming File) الذي يحتوي على كل المعلومات عن تصميم الدائرة وكيف يتم مقابلة التصميم بالموارد الموجودة بالـ
(FPGA) وكيف ينبغي ان تتصل المفاتيح الداخلية للـ(FPGA). وهو الملف الذي يستعمل لبرمجة الشريحة.
وبرمجة ملف الـ (Bit Stream) يعتمد على الشريحة والشركة المصنعة لها وكل شريحة لها طريقة برمجة محددة ويتم تزويدها ببرنامج خاص لبرمجتها
الشـريحـة الالكتـرونيـة القـابلة للبـرمجـة (FPGA)
