È un dispositivo molto versatile e atipico perché può svolgere i compiti di microcontrollori e microprocessori, pur non essendo né uno né l’altro ed è in grado di adattarsi a compiti di vario genere grazie alla grande flessibilità offerta da un’architettura che non è rigida come quella di un microcontrollore ma consta di un gran numero di dispositivi logici elementari (porte logiche, flip-flop e contatori, multiplexer/demultiplexer, encoder e decoder...) e di un’ALU, tutti collegabili tra loro mediante switch CMOS interni in vari modi per realizzare un’infinità di configurazioni. Le interconnessioni sono “programmabili” elettricamente in modo da connettere tra di loro i dispositivi logici allo scopo di ottenere la funzione logica voluta; permettono anche alla logica interna di affacciarsi ai pin di I/O.

La capacità di elaborazione di un FPGA si definisce con il numero di “gate equivalenti” ossia di porte logiche corrispondenti a tutti i dispositivi integrati (sappiamo che in generale i dispositivi logici si possono comporre con le porte base NOT, OR, NOR, AND, NAND, XOR). Gli FPGA più semplici contano circa 10.000 mila gate mentre le più prestanti arrivano a 2 milioni di gate (corrispondenti a circa 500.000 chip di tipo CD4001).
Un altro parametro da valutare nella scelta di un FPGA è il numero di pin di Input/Output, che nei modelli più piccoli è di circa 50 mentre nei più grandi (in package BGA) arriva a 1.000. Il rapporto tra I/O disponibili e gate equivalenti è un altro fattore cruciale: dispositivi con pochi I/O e tanti gate logici possono compiere molti calcoli ma vanno bene in applicazioni dove gli elementi con cui interfacciarsi siano pochi, mentre FPGA con molti I/O vanno bene per gestire processi in cui serve acquisire molti segnali e inviarne altrettanti, ovvero per elaborazioni parallele.

L’unità di calcolo (ALU) contenuta negli FPGA è molto veloce e ha clock che vanno da 200 MHz in su. Rispetto all’utilizzo dei classici microcontrollori e microprocessori, l’FPGA offre vantaggi che sono nella possibilità di riconfigurare la logica in qualsiasi momento, nella versatilità dell’hardware e nella possibilità di realizzare circuiti anche molto complessi. Per definire la logica che voglio programmare nel chip FPGA serve un programma che “traduca” lo schema elettrico del circuito in un file binario di programmazione che viene poi trasferito nella memoria di boot dell’FPGA tramite un programmatore dedicato (nel caso della Spartan 6 parliamo del JTAG).

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