Quando era um jovem engenheiro eletrónico, tinha muita curiosidade sobre os FPGAs. Os Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) são uma classe de dispositivos semicondutores projetados para serem configurados pelo utilizador após a sua fabricação. Contêm uma “malha de portas lógicas” no seu interior, que pode ser programada para reproduzir o comportamento de um chip — sem necessidade de fabricar fisicamente um novo circuito. Ao contrário dos microcontroladores ou processadores tradicionais, os FPGAs oferecem uma flexibilidade incomparável na implementação de lógica de hardware personalizada. Neste artigo exploramos os fundamentos, aplicações, vantagens, estrutura, princípios de funcionamento e noções básicas de programação dos FPGAs.

O que é um FPGA?

Um FPGA (Field-Programmable Gate Array, ou Matriz de Portas Programável em Campo) é um circuito integrado (IC) que pode ser programado e reprogramado para executar tarefas específicas a nível de hardware. Diferente dos ASICs (Application-Specific Integrated Circuits), que são concebidos para uma aplicação única, os FPGAs oferecem versatilidade, permitindo aos utilizadores definir e modificar a sua lógica interna conforme necessário.

A principal vantagem de um FPGA é permitir alterar a lógica de programação e testar o comportamento de diferentes chips sem necessidade de fabricar fisicamente cada um. Isto possibilita corrigir erros lógicos diretamente no hardware, economizando tempo, esforço e custos de desenvolvimento.

Porque Precisamos de um FPGA?

● Flexibilidade de Hardware: Algumas tarefas especializadas exigem circuitos digitais personalizados.

● Processamento Paralelo: Operações de alta velocidade requerem múltiplos cálculos simultâneos.

● Prototipagem Rápida: Os designers de hardware precisam de uma plataforma para testar e validar antes de investir em ASICs.

● Baixa Latência: Certas aplicações exigem desempenho em tempo real, sem as latências típicas de software.

● Reconfigurabilidade: Muitos sistemas precisam de atualizações ou modificações sem redesenhar o hardware de raiz.

Estrutura Interna de um FPGA

Um FPGA é composto pelos seguintes componentes principais:

● Blocos Lógicos Configuráveis (CLBs): Contêm elementos lógicos como Look-Up Tables (LUTs), flip-flops e multiplexadores que executam lógica digital.

● Interligações: Caminhos de roteamento programáveis que ligam diferentes blocos lógicos.

● Blocos de Entrada/Saída (IOBs): Fornecem interfaces com dispositivos externos.

● Recursos de Temporização (Clocking): Circuitos dedicados à distribuição de sinais de relógio.

● Blocos de Memória: RAM e matrizes de registos para armazenamento temporário de dados.

● Blocos de Processamento de Sinais Digitais (DSP): Unidades especializadas para operações matemáticas.

Como a Lógica é Criada Dentro de um FPGA

A lógica dentro de um FPGA é implementada utilizando Look-Up Tables (LUTs), que armazenam tabelas de verdade pré-definidas para lógica combinatória. Por exemplo: portas lógicas simples, somadores, subtratores e multiplicadores.

Os flip-flops e os multiplexadores ajudam na implementação da lógica sequencial.

Todo o circuito é configurado utilizando uma linguagem de descrição de hardware (HDL) como VHDL ou Verilog. Normalmente, estas linguagens usam uma sintaxe semelhante à linguagem C, com elementos adicionais próprios da lógica digital.

No geral, hoje em dia é possível criar circuitos de hardware utilizando código Verilog através de softwares como o Vivado.

Funcionamento e Princípios Básicos de Programação do FPGA

1. Entrada do Projeto (Design Entry):

O projeto pode conter desde algumas centenas até milhares de portas lógicas ativas e circuitos multiplexadores dentro de um FPGA. Os utilizadores podem definir a lógica através de HDL (Verilog/VHDL) ou usar um método alternativo baseado em esquemáticos.

2. Síntese e Implementação:

● Nesta etapa, um circuito a nível de portas lógicas é criado dentro do software com base no programa escrito. A verificação é realizada com base nas entradas e saídas.O código HDL é convertido numa netlist (conjunto de portas lógicas e conexões).

● A netlist é então mapeada para os recursos do FPGA.

3. Geração do Bitstream:

O design compilado é convertido num ficheiro bitstream, que configura o FPGA.

Este ficheiro é semelhante a um ficheiro .hex, usado para programar microcontroladores, mas contém código lógico para FPGA.

4. Programação do FPGA:

O bitstream é carregado no FPGA utilizando um programador JTAG, que transmite os dados de configuração diretamente para o circuito.

Que Tipo de Circuitos Podem Ser Programados num FPGA?

Os FPGAs são utilizados numa ampla variedade de aplicações, incluindo:

● Processamento de Sinais Digitais (DSP): Processamento de imagem, filtragem de áudio.

● Sistemas Embutidos (Embedded Systems): Processadores personalizados, controlo em tempo real.

● Criptografia: Algoritmos de encriptação de alta velocidade.

● Redes (Networking): Processamento de pacotes, comutação de rede.

● Inteligência Artificial e Aprendizagem Automática: Aceleradores para redes neuronais.

● Automação Industrial: CLPs (PLCs) e sistemas de monitorização em tempo real.

O Arduino é um FPGA?

Não, o Arduino não é um FPGA. As diferenças principais são as seguintes:

Embora ambos possam ser usados em sistemas embutidos, os FPGAs permitem personalizações a nível de hardware, enquanto o Arduino executa software num microcontrolador fixo.

Para alimentar estes dispositivos, é necessário utilizar uma fonte de alimentação SMPS (Switched-Mode Power Supply).

Normalmente utilizam-se fontes de tipo comutado, mas se o design do layout não for bem planeado, pode introduzir ruído no sistema. Consulte o nosso guia detalhado sobre layout para fontes de alimentação comutadas para saber mais.

Conclusão

Os FPGAs são plataformas de hardware poderosas e flexíveis, utilizadas em aplicações que exigem alto desempenho, processamento em tempo real e reconfigurabilidade.

Ao contrário dos ASICs, permitem modificações no design mesmo após a fabricação, tornando-os ideais para prototipagem e tarefas especializadas.

Embora sejam mais complexos do que microcontroladores como o Arduino, os FPGAs oferecem um controlo incomparável sobre o design de hardware, sendo uma ferramenta essencial na eletrónica moderna.