FPGA

Un FPGA (Field-Programmable Gate Array) es un circuito integrado programable que permite crear hardware digital personalizado después de ser fabricado.

A diferencia de un microcontrolador o CPU, un FPGA no ejecuta instrucciones, sino que se configura para convertirse en el circuito diseñado.

Un FPGA está compuesto por:

  • 🔲 Bloques lógicos configurables (LUTs)

  • 🔁 Flip-flops (memoria básica)

  • 🔗 Interconexiones programables

  • ⏱️ Relojes y PLLs

  • 📥📤 Pines de entrada/salida (I/O)

Cuando es programado se define qué hace cada bloque, cómo se conectan entre sí. Todo funcionando en paralelo.

¿En qué se diferencia de un microcontrolador?

Table 1. Comparación entre FPGA y MicroControlador
FPGA Microcontrolador

Hardware configurable

Hardware fijo

Ejecución paralela

Ejecución secuencial

Muy rápido

Más lento

Se programa con HDL

Se programa con C/C++

Ideal para tiempo real

Ideal para control

Programación

Para programar un FPGA se usan lenguajes de descripción de hardware (HDL). Donde se describen los circuitos.

Ejemplos:

Chisel

Chisel es un lenguaje específico de dominio (DSL) para describir circuitos de hardware, incrustado en Scala. Por su propia naturaleza, proporciona construcciones equivalentes a las de Verilog, como módulos, entradas/salidas (Input/Output), registros (Reg), etc.

Chisel forma parte de un framework de compilación de hardware que se parece mucho a LLVM aplicado a la generación de hardware. El proceso de Chisel a Verilog forma parte de un compilador de múltiples etapas. El frontend de Chisel compila Chisel a una representación intermedia de circuitos llamada FIRRTL (Flexible Intermediate Representation for RTL). Luego, la etapa intermedia de FIRRTL (mid-end) optimiza FIRRTL y aplica transformaciones personalizadas definidas por el usuario. Finalmente, la etapa de Verilog (back-end) genera código Verilog a partir del FIRRTL optimizado.

Ejemplo de Código de Chisel
package hw

import chisel3._
import chisel3.util.MuxCase

class Counter(size: Int) extends Module {
  val io = IO(new Bundle {
    val out = Output(UInt(size.W))
    val ena = Input(Bool())
    val clr = Input(Bool())
  })

  val tmp: UInt = RegInit(0.U(size.W))

  when(reset.asBool) {
    tmp := 0.U
  }.otherwise {
    tmp := MuxCase(tmp, Array(io.clr -> 0.U, io.ena -> (tmp + 1.U)))
  }

  io.out := tmp
}

¿Para qué se usan los FPGA?

  • Procesamiento de señales (DSP)

  • Video y visión artificial

  • Redes y telecomunicaciones

  • Criptografía

  • Inteligencia artificial (aceleradores)

  • Prototipado de ASIC

  • Control industrial de alta velocidad

Ventajas

  • Ejecución totalmente paralela

  • Muy baja latencia

  • Reconfigurable

  • Alto rendimiento

Desventajas

  • Más caro que un microcontrolador

  • Mayor consumo

  • Curva de aprendizaje más alta

  • Requiere herramientas especializadas

Ejemplo

Un FPGA puede:

  • Leer múltiples señales

  • Procesarlas al mismo tiempo

  • Generar salidas en nanosegundos

Mientras que un microcontrolador lo haría una por una.

MiSTer FPGA

MiSTer es un proyecto de código abierto que emula consolas, computadoras y placas arcade mediante FPGA. Esto es diferente de la emulación por software, ya que existe la posibilidad de obtener un rendimiento exactamente igual al del hardware original.

Aunque la emulación por software también puede llegar a ser muy precisa, con la emulación mediante FPGA es mucho más probable lograr latencia cero, lo que la convierte en una opción excelente para personas que utilizan tanto pantallas HDMI como monitores CRT.

Referencias