تقنية ال FPGA

السلام عليكم و رحمة الله و بركاته

إخوانى الكرام

حديثنا اليوم عن تقنية

FPGA

ماهي تقنية الFPGA



وماذا تعني؟

وما استخداماتها؟

وكيف تخدم هذه التقنية علم الالكترونيات؟

وكيف يمكنني الحصول عليها؟

كل هذه أسئلة بحاجة الى اجابة ومن لديه أي اضافات فلا يبخل علينا

ولنبدأ في الابحار في بحر الالكترونيات

اجابة السؤال الاول : ماهي تقنية الـFPGA وماذا تعني؟

كلمة FPGA هي اختصار لجملة Field Programmable Gate Arrays وهي تعني
مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ، وهي عبارة عن دوائر متكاملة
تتكون من صفوف من البوابات المنطقية كل بوابة يمكن التحكم في نوعها
وتحويلها من نوع الى أخر مثلا من AND الى NAND ومن NOR الى NOTالى أخره
ويمكن أيضا التحكم في توصيل كل بوابة بالبوابات الاخرى فيمكن عمل التوصيل
الذي نريده ويمكن بذلك تحويل الدائرة المتكاملة من نوع الى أخر عن طريق
البرنامج الخاص ببرمجتها.

أما فيم تستخدم :
فهي يمكن أن تستخدم في أي
شئ وكل شئ وخاصة الاجهزة الالكترونية التي تحتاج الى تغيير دوائرها
باستمرار وبينما كان ذلك صعبا في الماضي فانه الان يمكن أن يحدث بمجرد
انزال برنامج جديد يغير من تركيب الدائرة.

أما كيف تخدم هذه التقنية الالكترونيات:
فهي
فتح جديد ونعمة تستوجب الشكر وثورة في عالم تصميم الدوائر المتكاملة
ولتوضيح ذلك نعطي المثال التالي:في حين أن شركة مثل انتل تصنع معالج
البنتيوم الذي يقوم بجميع الوظائف الممكنة وذلك بغرض الاستخدام العام في
كل التطبيقات ، وذلك على حساب السرعة التي تكون بطيئة نسبيا والاستهلاك
العالي للطاقة والسعر المرتفع ، في حين أن بعض الشركات الاخرى تصنع دوائر
متكاملة سريعة ورخيصة واستهلاكها للطاقة قليل ولكنها صممت لتنفيذ وظيفة
واحدة فقط وهي التي تعرف باسم ASIC ومثال على ذلك البروسيسور الخاص بأجهزة
التليفزيون ، فجاءت تقنية الـFPGA لتجمع بين سرعة الاداء العالية والتعدد
في الاستخدام.



وأحب هنا أن أنقل ملخصا لما نشر عن هذا الموضوع فى مجلة العلوم الأمريكية
فى المجلد 15 العددان 6،7 يونيو/يوليو 1999 صفحة 32 وهذه المجلة هى ترجمة
لمجلة (scintific american) تصدر عن مؤسسة الكويت للتقدم العلمى .

فقد نشر فى هذا العدد موضوع بعنوان " الحوسبة التشكلية (المطاوعة)"
"configurable computing" ، وسنحاول تلخيص الموضوع وتبسيطه فى السطور
التالية لنقربه الى الاذهان .

( فى طريقهم لايجاد التوازن الملائم بين سرعة
المعالجات وتعدد الاستعمالات يواجه مصممى الحاسوب تحد مستمر ، فهم قادرون
على بناء معالجات متعددة الاستعمالات يمكنها أن تقوم بوظائف متنوعة لكن
ببطئ نسبى .وفى المقابل فإنهم قادرون على ابتكار معالجات سريعة جدا لكن
تقوم بمهمة محددة .

ولنعطى مثالا للتوضيح . فمثلا معالجات بنتيوم intel pentium الموجودة
حاليا فى الحواسيب الشخصية هى معالجات ذات استخدامات عامة ، فهو لم يكن
مصمما خصيصا لتشغيل ميكروسوفت وورد microsoft word أولعبة كوماندوز
comandos الا أنه يستطيع تشغيل كلا التطبيقين .

وبالمقابل فإن الدوائر المصممة لمهام محددة ( الغير قابلة للبرمجة)
والمعروف باسم (الدوائر المتكاملة المحددة التطبيقات)
(application-specific integrated circuits ( ASIC

تؤمن بدقة الأداء الوظيفى اللازم لمهمة معينة فقط وبسرعة عالية جدا.

فيستطيع مصممو الحاسبات إنتاج معالجات أصغرحجما وأقل تكلفة واكثر سرعة
وتستهلك طاقة أقل من المعالجات القابلة للبرمجة ، فمعالج رسومات graphics
من نوع VGA يستطيع

أن يرسم خطوطا أو يلون صورا على الشاشة اسرع من معالج وحدة معالجة مركزية عامة الاستخدام بعشرة أضعاف أو مائة ضعف .

ولكن الان ثمة تطور جديد فى الدوائر المتكاملة يقدم خيارا ثالثا ، وهى
صفيفات بوابات منطقية قابلة للبرمجة FPGAs Field-Programmable Gate Arrays
.وهى دوائر الكترونية عالية الكفاءة يمكن تعديلها فى أى مرحلة أثناء
التشغيل . وتتكون الدوائر هذه من صفوف من الوحدات المنطقية القابلة للتشكل
configurable ، والقادرة على تنفيذ الوظائف المنطقية للبوابات مثل AND ,
NAND , NOR, OR, XOR . إن الوظائف المنطقية للبوابات فى معظم المكونات
المستخدمة فى الحواسيب الان ثابتة ولايمكن تغييرها ، اما فى صفيفات
البوابات القابلة للبرمجة FPGA فان كلا من الوظائف المنطقية والتوصيلات
مابين هذه الوحدات يمكن تغييرها، وذلك بارسال بعض الاشارات الى الشريحة
الالكترونية


تركيب الFPGA:

تتكون
من عدد كبيرجدا من الوحدات المنطقية القابلة للتشكيل ، ومن شبكة توصيلات
قابلة للبرمجة يمكن ان تربط هذه الوحدات بأى نمط يختاره المصمم.وهناك
نوعان من دوائر الFPGA


1-الدوائر "الخشنة الحبيبات "
coarse-grained :


وهى تتكون من عدد قليل من الوحدات المنطقية الكبيرة والقوية ، فكل وحدة
تعتبر دائرة مكونة من عدة بوابات منطقية ، ويمكن لكل عنصر أن يكون قادرا
على جمع أو مقارنة عددين كاملين.

2-الدوائر "الناعمة الحبيبات"
fine-grained

وهى تتكون من عدد كبير من الوحدات المنطقية البسيطة يكون كل عنصر قادرا
فقط على مقارنة رقمين ثنائيين أى يمكن اعتباره فعلا بوابة منطقية واحدة

إستخدامات FPGA:

1-البث الفيديوى :

تم بناء نظام بث فيديوى من دائرة متكاملة واحدة قادرة على اعادة تشكيل
نفسها أربع مرات لكل صورة frame فيديوية واحدة ، لذا فإنها تتطلب فقط ربع
الدوائر التى يمكن أن نحتاج اليها لبناء مثل هذا لنظام بدوائر الASIC .
فأولا تقوم الدائرة FPGA يتخزين الاشارة الفيديوية فى الذاكرة ثم تقوم
بتحويلين مختلفين لمعالجة الصورة ، وفى النهاية تحول الى موديم لارسال
الاشارة الى المرحلة التالية .

2-التعرف على الصور
:
يمكن لشريحة FPGA الخاصة بالتعرف على الصور وأن تهيئ نفسها بمجرد رؤية
الشئ الذى تنظر اليه ، فإذاكانت الصورة تحتوى على سيارة أوشاحنة ،فإن
أجزاء الدائرة المصممة أصلا لتتبع الطائرات السريعة أو الاشخاص البطيئى
الحركة ، يمكن أن تعيد تشكيل نفسها بحيث تركز بدلا من ذلك على الاليات
البرية

ويوجد العديد من التطبيقات الاخرى مثل مقارنة الخطوط والتعرف على الاشخاص
والاشياء المحيطة وتشفير الرسائل والتشفير المعقد جدا وتعرف الاهداف
الحربية والاتصالات بالغة التعقيد.الخ

مستقبل الحوسبة التشكلية FPGA:


تبشر دوائر الFPGA بتطبيقات واعدة فى المستقبل ستجعلك ليس فقط تتحكم فى
البرامج soft ware ولكنك أيضا سوف تتحكم فى شكل ووظيفة المكونات الصلبة
hard ware وذلك بتحميل البرنامج الخاص بالتطبيق الذى تريده ، فكما تقوم
اليوم بتحميل برامج من شبكة الانترنت ، فإن أجهزة المستقبل يمكنها تحميل
تشكيلات جديدة للدوائر كلما استدعى الامر ذلك)انتهى
مانشر فى المجلة وقد حاولنا أن نختصره بقدر الامكان لنتجنب الاطالة ولكن
دون اخلال بالمادة ولمزيد من المعلومات يرجى الرجوع للمجلة:

يمكن معرفه كثير من المعلومات عن ال fpga بزياره المواع التاليه:

1- موقع ياباني عليه شرح لتقنية الـCPLD(وهي عبارة عن صورة أبسط وأصغر من الـFPGA
http://www.interq.or.jp
2- شركة xilinix
http://www.xilinx.com
3- والعملاق في هذا المجال شركة ALTERA
http://www.altera.com/



منقول للفائده




خالص التمنيات بالتوفيق للجميع