Існує дуже тонка межа між апаратним і програмним забезпеченням. Створюючи апаратне забезпечення для таких гаджетів, як комп’ютери, ви повинні переконатися, що воно працює та виконує код.
Програмована вентильна матриця (FPGA) — це форма апаратної архітектури, яка дозволяє користувачам налаштовувати схеми з будь-якого місця та в будь-який час.
Дізнатися про те, як працює програмування FPGA, буде корисно, якщо ви хочете продовжити кар’єру в галузі інформатики чи технологій.
У цій статті ми опишемо, що таке програмування FPGA, як воно працює та де його застосовують, а також поділимося різними ресурсами, щоб пролити більше світла на це.
Програмування FPGA
FPGA — це інтегральна схема (IC) із настроюваними логічними блоками та набором інших функцій, які користувач може програмувати та перепрограмувати.
Фраза «програмований у полі» вказує на те, що можливості FPGA не є жорстко закріпленими, а регульованими. Таким чином, користувачі можуть змінювати функції схеми в будь-який час відповідно до своїх конкретних проектних намірів.
Програмування FPGA можна описати як процес створення обчислювальних рішень за допомогою FPGA.
Програміст повинен спланувати, спроектувати та реалізувати архітектуру воріт, щоб створити функціональну схему, яка відповідає потребам користувачів. Кінцевою метою програмування FPGA є створення апаратної схеми, яка генерує певний вихід при включенні.
Монтажні плати на FPGA розроблені для імітації поведінки схем реального світу. Таким чином, такі плати найчастіше використовуються командою із забезпечення якості для тестування нових продуктів. Система FPGA матиме різні апаратні елементи.
Логічні вентилі діють як будівельні блоки FPGA на базовому рівні. Логічні вентилі виконують булеві операції над вхідними та вихідними даними. Існують також ресурси маршрутизації, які направляють сигнали з однієї точки в іншу.
Випадки використання програмування FPGA
Програмування FPGA стало дуже привабливим для розробників у сучасному світі.
Нижче наведено деякі випадки використання;
#1. Проектування ASIC
Тепер розробники можуть розробляти інтегральні схеми для конкретних програм (ASIC). ASIC стали дуже популярними у світі майнінгу Bitcoin.
Конструкція ПЛІС дозволяє легко виправляти помилки. Принадність FPGA полягає в тому, що ви можете використовувати її як модель для інших проектів і таким чином заощадити час і ресурси в довгостроковій перспективі.
#2. Сектор відновлюваної енергетики
Відновлювана енергія вітру та сонця стає все більш популярною у світі, який стикається з проблемою глобального потепління. Підстанції передачі та розподілу (T&D) потребують ефективних мереж живлення для оптимальної роботи розумних мереж.
ПЛІС дуже корисні для покращення масштабованості та продуктивності інтелектуальних мереж, зберігаючи низьке енергоспоживання.
#3. Космонавтика та оборона
Літаки іноді літають у суворих умовах. Таким чином, компанії-виробники виробляють радіаційно-стійкі та радіаційно-стійкі FPGA, які пропонують більші вимоги до надійності, продуктивності та життєвого циклу в екстремальних умовах, ніж традиційні реалізації ASIC.
#4. Серверні програми
Центри обробки даних/сервери стали справою, оскільки попит на швидкість обробки даних зростає з кожним днем. Дані потрібно обробляти в режимі реального часу, навіть за обмеженого простору та часу.
FPGA через BRAM може запропонувати підключення до зовнішніх елементів зберігання даних, прискорюючи обробку даних на мікросхемах.
Переваги програмування FPGA
- ПЛІС можна реконфігурувати. Слід враховувати можливість використання FGPA. Ви можете налаштувати один і повторно налаштувати його для використання в іншій програмі.
- FGPA вимагає менше ручного втручання. Програмне забезпечення виконує завдання маршрутизації, синхронізації та розміщення в середовищі FGPA. Такі завдання можуть бути трудомісткими та складними, якщо виконувати їх вручну.
- FPGA постачаються як чисті полотна. На відміну від традиційних ASIC з попередньо визначеними функціями, FPGA можна перепрограмувати для різних випадків використання. Таким чином, інженер може запрограмувати таку систему для різних випадків використання за допомогою HDL (Hardware Design Language).
- Прототипування. ASIC дорогі у виробництві, і проста помилка може коштувати дуже дорого. Перш ніж випустити свою ASIC на ринок, важливо переконатися, що ваша система працює та відповідає цілям, для яких вона була розроблена. ПЛІС можна перепрограмувати, тобто ви можете тестувати, доки не отримаєте правильний дизайн.
Як запрограмувати FPGA
Конструкції, які використовуються для запуску FPGA, в основному кодуються мовами опису обладнання (HDL), такими як SystemVerilog, Verilog і VHDL.
#1. Verilog
Verilog ідеально підходить, якщо ви хочете запрограмувати FPGA в декілька рядків коду. Ця мова порівнянна з C, хоча вона розроблена для апаратної архітектури. Verilog було створено, щоб зробити HDL більш гнучким і надійним.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog було створено як розширення Verilog. Це як мова перевірки обладнання, так і мова опису обладнання. За допомогою цієї мови ви можете описати моделі апаратного забезпечення, перетворити їх у цифровий код, а потім завантажити їх у систему FPGA для виконання визначених завдань.
#3. VHDL
VHDL є скороченою формою для дуже високошвидкісної мови опису апаратного забезпечення інтегрованої схеми. За допомогою VHDL ви можете описати апаратне забезпечення FPGA, дозволяючи користувачам моделювати та імітувати його перед кодуванням у фактичне обладнання.
Програмування за допомогою VHDL полегшує визначення потенційних помилок у схемі, які користувачі можуть виправити перед остаточним кодуванням. VHDL дозволяє користувачам писати свій структурований код.
Синтез високого рівня (HLS), де проектування виконується на підмножині C, а компілятор перетворює код на код Verilog, популярний серед розробників, які хочуть програмувати FPGA.
Таким чином, розробники можуть використовувати мови, якими вони володіють, для проектування FPGA через уніфіковані програмні платформи.
#4. Python
Цю багатофункціональну мову програмування можна використовувати для програмування FPGA. Для цього Python використовує PYNQ, проект з відкритим кодом, який полегшує роботу з платформами AMD.
#5. C і C++
Мови на основі C ідеально підходять для розробки FPGA завдяки високорівневому синтезу (HLS). Компілятор AMD Vivado™ HLS пропонує середовище програмування, яке поділяє ключові технології зі спеціалізованими та стандартними процесорами, що оптимізує програми на основі C.
#6. Платформи ШІ, такі як TensorFlow і PyTorch
Інженери використовують навчені моделі глибокого навчання від Pytorch або Tensorflow для компіляції для прискорення FPGA. Такий підхід усуває потребу в апаратному програмуванні низького рівня, водночас досягаючи надзвичайно швидкої компіляції.
Код, написаний звичайними мовами програмування, такими як Python, C або C++, синтезується та перетворюється на власні описи з’єднань за допомогою інструментів синтезу.
Отриманий файл, що містить опис з’єднання, відомий як бітовий потік. Бітовий потік описує, як налаштувати FPGA (як підключити тригери, вентилі та різні цифрові елементи схеми через матрицю з’єднання FPGA).
FPGA мають вбудовану конфігурацію, яка зчитує файл потоку бітів і відповідно налаштовує FPGA. Схема конфігурації може зчитувати файл бітового потоку за допомогою різних підходів, таких як паралельна флеш-пам’ять, JTAG і послідовна флеш-пам’ять.
Виробники плат FPGA надають програмне забезпечення/інструкції, які розробники використовують для налаштування/програмування систем.
Більшість систем FPGA можна перепрограмувати стільки разів, скільки можливо. Єдиним обмеженням є випадки, коли такі системи пошкоджені нестандартними умовами, такими як знос, температура або висока напруга.
Ви можете дізнатися більше про програмування FPGA за допомогою цих навчальних ресурсів
Навчальні ресурси
#1. Програмування FPGA для початківців
Ця книга знайомить вас зі світом програмування FPGA за допомогою SystemVerilog. Підхід до навчання базується на проектах, де ви розробляєте реальні програми, такі як клавіатура та калькулятор.
Книга знайомить з архітектурою FPGA перед вивченням того, як написати SystemVerilog RTL. Ця книга також познайомить вас з основами комп’ютерної математики, конвеєрної обробки та паралелізму. Книга також торкається складних тем, таких як AXI та інтерфейс клавіатури з PS/2.
Ця книга ідеально підходить для програмістів, інженерів і розробників вбудованих систем, які бажають навчитися програмуванню FPGA і SystemVerilog. Цей ресурс також підходить для розробників FPGA, які прагнуть отримати практичний досвід створення реальних проектів.
#2. FPGA для програмістів
Ця книга знайомить інженерів програмного забезпечення зі світом ПЛІС і реконфігурованих технологій. Книга починається зі знайомства з FPGA та її моделлю програмування. Цю книгу також варто використовувати, якщо ви хочете дізнатися, як FPGA реалізують різноманітні програми без процесів проектування апаратного забезпечення низького рівня.
Книга дає реалістичне уявлення про проблеми, які підходять для FPGA, і про те, як реалізувати рішення з точки зору інженера-програміста. Орієнтований на користувача підхід у цій книзі дозволяє легко зрозуміти, де і як застосовна технологія FPGA. Цільовими читачами цієї книги є розробники програмного забезпечення та інженери-конструктори FPGA.
#3. Початок FPGA: Програмування Metal
Ця книга навчає читачів, як використовувати BeMicro MAX 10 для створення датчика температури, датчика руху, датчика температури та автомобільного дисплея KITT від Knight Rider. Книга призначена для початківців і підходить для тих, хто не має навичок програмування чи диплома інженера-електронника.
У книзі представлено FPGA та пояснено їх відмінності від мікроконтролерів або ASIC. Це також ресурс, щоб ознайомити вас із тим, як налаштувати ланцюжок інструментів і використовувати VHDL для програмування FPGA. Книга ідеально підходить для ентузіастів електроніки та Raspberry Pi, які хочуть отримати практичний вступ у світ FPGA.
#4. Програмування FPGA: Початок роботи з Verilog
Ця книга ідеальна, якщо ви ніколи не працювали з Verilog і FPGA. Якщо програмування FPGA для вас новий термін, це гарне місце для початку. Типові зразки, такі як лічильники та 7-сегментні дисплеї, допоможуть учням стати на правильну ногу.
Книга знайомить учнів з Verilog і пропонує різні проміжні приклади, такі як VGA. Цей ресурс може бути не ідеальним, якщо ви вже маєте знання Verilog і FPGA. Ця книга доступна у версіях для Kindle і Paperback.
Висновок
FPGA іноді можуть працювати краще, ніж графічні процесори, у програмах глибокого навчання з низькою затримкою. Програмування FPGA є важливою навичкою, оскільки FPGA можна використовувати в побутовій електроніці, промисловій автоматизації та військових застосуваннях, серед багатьох інших застосувань. ПЛІС все ще розвиваються, і ми можемо тільки чекати, щоб побачити їх налаштовані для більшої кількості випадків використання та кращої продуктивності.