FPGA ( Field Programmable Gate Array ) kelime anlamı; Sistemi veya ürünü tekrar monte etmeye gerek kalmadan üretim sürecinden sonra modifiye edilebilecek veya entegre sistemleri tasarlanacak şekilde tasarlanmış entegre devre anlamına gelir. Bu nedenle Sahada Programlanabilir veya Saha Programı ( Field - Programmable ) diye adlandırılır.

Genel olarak; bir FPGA' da bulunan tasarım & Donanım Tanımlama Dili (Hardware Description Language- HDL) kullanılarak tasarlanır. Bu devreler (ASIC) bir uygulamaya özgü entegre devrenin tasarımında kullanılanlara çok benzerler ve belirli bir amaç için tasarlanmış devrelerdir. Yalnızca tasarlandığı uygulama için kullanılabilir, video kodlama devreleri veya analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) devreleri gibi.

Elektron biliminde, HDL (Donanım tanımlama dili), elektrik devrelerini, özellikle mantık devrelerini tanımlamak için bilgisayar dillerini ve / veya programlama dillerini sınıflandırmak için bir dal dilidir. Donanım tanımlama dili bir devredeki süreçleri, tasarımını ve organizasyonunu açıklar ve bir devredeki temel işlemleri (bir akımın geçişi veya eksikliği) simülasyonla test eder.

FPGA'lar, aralarında bir bağlantı hiyerarşisine ek olarak bir dizi Yapılandırılabilir Mantık Bloğu içerir (Configurable Logic Blocks), böylece bu birimler tasarımın gerektirdiği şekilde bağlanır.

Bu mantık birimleri, birleşik mantıkta (Combinational Logic) karmaşık görevleri gerçekleştirmek için AND ve XOR gibi temel mantık kapıları oluşturmak üzere bağlanabilir ve programlanabilir veya karmaşık sıralı mantık sistemleri (Sequential Logic) oluşturmak için çoğu FPGA türünde bulunan bellek öğeleri, temel Flip-Flop öğelerinden entegre bellek birimlerine kullanılabilir.

Teknik Tasarım:

Modern FPGA çipleri, karmaşık hesaplamaları ve dijital sistemleri tasarlamak ve uygulamak için çok sayıda mantık kapısı ve RAM modülü içerir. Modern FPGA çipleri, karmaşık hesaplamaları ve dijital sistemleri tasarlamak ve uygulamak için çok sayıda mantık kapısı ve RAM modülü içerir. Çoğu FPGA tasarımı hızlı G / Ç bağlantı noktalarının yanı sıra hızlı çift yönlü veri yolları kullanmaktadır, çünkü Kurulum Süresi (Setup Time) ve Bekletme Süresi (Hold Time) sırasında veri zamanlamasının kontrol edilmesi tasarım sürecinde bir zorluk haline gelir. Zemin Planlama (Floor Planning), FPGA çipinde bulunan kaynakların, tasarım süresi kısıtlamalarının yerine getirilmesi için tahsis edilmesini sağlar. FPGA'lar ASIC kullanılarak tasarlanabilen herhangi bir sistemi tasarlamak için kullanılabilir, ancak sistem işlevselliğini güncelleme- yani yeniden yükleme- kısmen de olsa birçok uygulamada avantaj sağlar. 

Tarihsel Süreç:

FPGA endüstrisi iki tür programlanabilir modülden doğmuştur, programlanabilir salt okunur bellek (PROM- Programmable Read-Only Memory) ve programlanabilir mantık aygıtı (PLD- Programmable Logic Device). Her iki ünite de üretim sırasında veya sahada programlanabilir toplu programlamaydı.

1980'lerin sonlarında, Deniz Yüzey Harp Merkezi- Naval Surface Warfare Center, Steve Casselman tarafından 600.000 programlanmış mantık kapısı olan bir bilgisayar geliştirmek için önerilen bir deneyi finanse etti. Casselman deneyi başardı ve deney için bir patent 1992'de yayınlandı.

Programlanabilir Mantık Dizileri (Logic Blocks), Kapılar ve Mantık Blokları (Programmable Logic Arrays) için bazı üretim ilkeleri ve teknolojisi, 1985 yılında David W. Page ve LuVerne R. Peterson'a verilen patentlerle oluşturulmuştur.

1983’te Altera şirketi kuruldu, ilk PLD’yi 1984’te üretmiştir. İlk PLD bir kuvars pencere içerdiği ve iç çembere morötesi ışığını üzerine tutulmasıyla PLD'nin tasarım bilgilerini içeren EPROM bellek hücrelerini temizlenebilmektedir.

Xilinx kurucuları Ross Freeman ve Bernard Vonderschmitt, piyasada bulunan ilk FPGA çipini icat ettiler. FPGA teknolojisinin ve şu anda bildiğimiz pazar yerinin gelişiminin başlangıcı olan XC2064.

XC2064 çipi 64 CLB artı 3 portlu LUT içeriyordu. 20 yıldan fazla bir süre sonra, Freeman icadı nedeniyle Ulusal Mucitler Onur Listesi'ne seçildi.

Altera ve Xilinx, 1985'ten 1990'ların ortalarına kadar büyümeye devam etti ve FPGA pazar payının yüksek payıyla sektörde hızla ortaya çıktı.

1993'te Actel (şimdi Microsemi) FPGA pazarının%18'ine sahipti. 2010 yılına kadar%31 ile Altera, %10 Actel ve%36 ile Xilinx toplanmış bir şekilde FPGA pazarının%77'sine sahiptir.

Doksanlı yıllar FPGA sistemleri için aktif bir dönemdi; on yılın başında FPGA uygulamalarının esas olarak iletişim ve ağ sistemlerinde olduğu ve on yılın sonunda FPGA uygulamalarının elektronik, araba ve çeşitli endüstriyel uygulamalara yayıldı.

Pazar Büyüklüğü:

·       1982: Ticari olarak satılan ilk FPGA, XC2064.

·       1987: Pazar büyüklüğünün 14 milyon dolar olduğu tahmin ediliyor.

·       1993: 385 milyon doların üzerinde.

·       2005: 1,9 milyar dolara ulaştı.

·       2010: Tahminler 2,75 milyar doları gösterdi.

·       2013: Tahmini 5,4 milyar dolar.

2020: 9,8 milyar dolara ulaşması bekleniyor

FPGA mimarisi:

FPGA mimarisi, CPLD'de olduğu gibi birbirine bağlı bir dizi mantıksal birimden oluşur, ancak burada daha karmaşık bir şekilde birbirine bağlıdırlar ve CPLD ile FPGA arasındaki önemli fark FPGA'ların birden fazla programlanabilir olmasıdır, CPLD'de ise bu üniteler arasındaki ayırıcıların belirli bir metot ve düzenlemeye göre eritilmesi ile programlanmıştır, FPGA'ya gelince, anahtarların yerini elektronik devre kesiciler (SWITCHES) almıştır ve bu devre kesiciler, birbirleriyle ve mantıksal birimlerle çok karmaşık bir şekilde birbirine bağlı transistörlerdir. Bu transistörler şu amaçlarla tasarlanmıştır:

•          Birden fazla uygulama yapar.

•          Birimleri birbirine bağlar.

•          Mantıksal çalışmayı tahsis edilmesi (0,1).

Sonuç olarak, birlikte bir anahtar dizisi (SWITCHES) oluştururlar ve böylece Yapılandırılabilir Mantıksal Birimler Bloğu olarak adlandırılırlar: CLB Confugrable Logic Block.

ÖZETLERSEK:

FPGA üç ana unsurdan oluşmaktadır:

·       Programlanabilir mantık blokları için: Yapılandırılabilir Mantık Blokları (CLB) mantıksal işlevi uygular.

·       Mantıksal birleşimler: Mantıksal işlevi gerçekleştirmek için CLB'yi birbirine bağlarlar.

·       I / O birimleri: FPGA'yı fiziksel dünyaya (sensörler ve motorlar) bağlamak için kullanılır.

Mantıksal bellekleri birbirine bağlayarak, düzenleyerek ve planlayarak, (SRAM-DRAM) gibi belleklere elde ederiz ve yanıt, veri alma, depolama ve diğerleri açısından düzenli olarak ele alınmaktadır. Bu hafızalar birbirleriyle ve FPGA'nın işlemcileri gibi diğer parçalarıyla veya harici ortamla bağlantılı olabilir.

FPGA programlama:

İki tür programlama dili kullanır:

-VHDL dilini kullanma.

-Düşük seviyeli dillerle programlama.

Arduino ve FPGA'lar:

Çeşitli Arduino kartlarındaki tüm hızlı gelişmelere rağmen, geliştirme ARM Cortex sınırlarında durmadı, bunun yerine Field-Programmable Gate Arrays FPGA çiplerine ulaştı. 2010 yılında Papilio Arduino adında açık kaynaklı bir proje yayınlandı ve amacı FPGA çipleri ile çalışan ve Arduino C'de programlanabilen bir Arduino kartı üretmektir. Papilio Arduino projesi bu sorunları çözmek için geldi ve Arduino ana kart ailesine yeni bir geliştirme kartı sağladı. Arduino IDE programının Arduino dilini FPGA çipleriyle uyumlu hale getirmek için modifiye edilmiş bir versiyonu olan Papilio Arduino IDE ve 2010 ortalarından itibaren Papilio kartları da satışa sunuldu.

FPGA Geliştirme kitleri çok sayıda bulunmaktadır. Elektroent web sitemizde Altera FPGA geliştirme kartı ( aC- 415 ) Cyclone IV, İntel FPGA Geliştirme Kartı ( AC1006 ), Sipeed Lichee Tang Nano FPGA geliştirme kartı ( GW1N-1 ), FPGA USB kod yükleyici uploader bile bulunmaktadır.