Межа між апаратним забезпеченням та програмним забезпеченням є досить розмитою. Створюючи апаратну частину пристроїв, як-от комп’ютери, важливо переконатися, що вона функціонує належним чином та здатна виконувати заданий код.
Програмована вентильна матриця (FPGA) представляє собою апаратну архітектуру, що надає користувачам можливість налаштовувати схеми в будь-який момент та з будь-якого місця.
Вивчення принципів програмування FPGA є корисним кроком для тих, хто планує будувати кар’єру у сфері інформаційних технологій або комп’ютерних наук.
У цій статті ми розглянемо, що таке програмування FPGA, як воно працює, де його застосовують, а також надамо різноманітні джерела для отримання додаткової інформації.
Програмування FPGA
FPGA – це інтегральна схема, що складається з набору настроюваних логічних блоків та додаткових функцій, які користувач може програмувати та перепрограмовувати.
Термін “програмований у полі” вказує на те, що можливості FPGA не є фіксованими, а можуть бути адаптовані. Це дозволяє користувачам змінювати функції схеми в будь-який момент, враховуючи їхні індивідуальні потреби.
Програмування FPGA можна описати як процес створення обчислювальних рішень на базі FPGA.
Програміст повинен розробити, спроектувати та впровадити архітектуру воріт для формування функціональної схеми, що відповідає вимогам користувача. Основна мета програмування FPGA полягає у створенні апаратної схеми, яка генерує певний вихід при подачі живлення.
Монтажні плати на FPGA призначені для моделювання поведінки реальних схем. Зазвичай, такі плати використовують групи контролю якості для тестування нових продуктів. Система FPGA включає різноманітні апаратні елементи.
Логічні вентилі служать будівельними блоками FPGA на базовому рівні. Вони виконують булеві операції над вхідними та вихідними даними. Крім того, існують ресурси маршрутизації, які спрямовують сигнали між різними точками.
Сфери застосування програмування FPGA
Програмування FPGA набуває все більшої популярності серед розробників в сучасному світі.
Нижче наведено декілька прикладів застосування:
#1. Розробка ASIC
Сьогодні розробники мають можливість створювати інтегральні схеми для конкретних завдань (ASIC). ASIC стали особливо популярними у сфері майнінгу Bitcoin.
Конструкція FPGA дозволяє легко виправляти помилки. Перевага FPGA полягає в можливості використання її як шаблону для інших проєктів, що дозволяє заощаджувати час і ресурси в довгостроковій перспективі.
#2. Сектор відновлюваної енергетики
З відновлюваною енергією вітру та сонця стає дедалі популярнішою в умовах глобального потепління. Підстанції передачі та розподілу (T&D) потребують ефективних мереж живлення для оптимального функціонування розумних мереж.
FPGA відіграють важливу роль у підвищенні масштабованості та продуктивності розумних мереж при одночасному зниженні споживання енергії.
#3. Аерокосмічна та оборонна галузі
Літальні апарати іноді експлуатуються в складних умовах. Тому виробники створюють радіаційно-стійкі FPGA, що забезпечують високу надійність, продуктивність та тривалий життєвий цикл в екстремальних умовах порівняно зі звичайними ASIC.
#4. Серверні додатки
Центри обробки даних / сервери стали критично важливими через постійно зростаючий попит на швидкість обробки даних. Дані потрібно обробляти в реальному часі, навіть за обмеженого часу та простору.
FPGA завдяки BRAM здатні забезпечити підключення до зовнішніх пристроїв зберігання даних, що пришвидшує обробку даних на чіпах.
Переваги програмування FPGA
- FPGA можна переконфігурувати. Можливість повторного використання FGPA – важлива перевага. Ви можете налаштувати її для одного застосування, а потім переналаштувати для іншого.
- FGPA вимагають менше ручного втручання. Програмне забезпечення виконує маршрутизацію, синхронізацію та розміщення в середовищі FGPA. Такі завдання були б складними та трудомісткими при ручному виконанні.
- FPGA поставляються як чисті аркуші. На відміну від звичайних ASIC з попередньо визначеними функціями, FPGA можна перепрограмувати для різних цілей. Інженер може запрограмувати таку систему для різноманітних застосувань, використовуючи HDL (Hardware Design Language).
- Прототипування. ASIC є дорогими у виробництві, і навіть невелика помилка може мати значні фінансові наслідки. Перед запуском ASIC на ринок необхідно переконатися, що система працює коректно та відповідає запланованим цілям. FPGA можна перепрограмувати, що дозволяє проводити тестування до досягнення бажаного результату.
Як запрограмувати FPGA
Схеми, що використовуються для запуску FPGA, здебільшого кодуються мовами опису апаратного забезпечення (HDL), такими як SystemVerilog, Verilog та VHDL.
#1. Verilog
Verilog ідеально підходить для програмування FPGA кількома рядками коду. Ця мова схожа на C, але розроблена для апаратної архітектури. Verilog був створений для того, щоб зробити HDL більш гнучкою та надійною.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog є розширенням Verilog. Це мова як для перевірки апаратного забезпечення, так і для його опису. Використовуючи її, ви можете описати моделі апаратного забезпечення, транслювати їх у цифровий код, а потім завантажити в систему FPGA для виконання конкретних завдань.
#3. VHDL
VHDL – це абревіатура від дуже високошвидкісної мови опису апаратного забезпечення інтегральної схеми. За допомогою VHDL можна описати апаратну частину FPGA, дозволяючи користувачам моделювати її перед фактичним кодуванням в апаратне забезпечення.
Програмування за допомогою VHDL спрощує виявлення можливих помилок у схемі, які можна виправити до остаточного кодування. VHDL дозволяє користувачам створювати структурований код.
Синтез високого рівня (HLS), де проектування виконується в підмножині C, а компілятор перетворює код у Verilog, є популярним серед розробників, які хочуть програмувати FPGA.
Таким чином, розробники можуть використовувати знайомі мови для проектування FPGA через уніфіковані програмні платформи.
#4. Python
Цю багатофункціональну мову програмування також можна використовувати для програмування FPGA. Для цього Python використовує PYNQ, проект з відкритим кодом, що спрощує 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 програмне середовище, що розділяє ключові технології зі спеціалізованими та стандартними процесорами, оптимізуючи програми на основі C.
#6. Платформи ШІ, такі як TensorFlow і PyTorch
Інженери використовують навчені моделі глибокого навчання з Pytorch або Tensorflow для компіляції прискорення FPGA. Такий підхід усуває необхідність низькорівневого програмування апаратного забезпечення, забезпечуючи водночас надшвидку компіляцію.
Код, написаний звичайними мовами програмування, такими як Python, C або C++, синтезується та трансформується у власні описи з’єднань за допомогою інструментів синтезу.
Отриманий файл, що містить опис з’єднання, називається бітовим потоком. Він описує, як конфігурувати FPGA (як підключити тригери, вентилі та інші цифрові елементи схеми через матрицю з’єднань FPGA).
FPGA мають вбудовану конфігурацію, яка зчитує файл бітового потоку та відповідно налаштовує FPGA. Схема конфігурації може зчитувати цей файл різними способами, наприклад, через паралельну флеш-пам’ять, JTAG або послідовну флеш-пам’ять.
Виробники плат FPGA надають програмне забезпечення/інструкції, які розробники використовують для конфігурування/програмування систем.
Більшість систем FPGA можна перепрограмувати необмежену кількість разів. Єдиним обмеженням є пошкодження систем через нестандартні умови, такі як знос, температура або висока напруга.
Дізнатися більше про програмування FPGA можна за допомогою навчальних ресурсів, наведених нижче.
Навчальні ресурси
#1. Програмування FPGA для початківців
Ця книга знайомить читача зі світом програмування FPGA за допомогою SystemVerilog. Навчання відбувається через реалізацію проєктів, таких як клавіатура та калькулятор.
Книга розповідає про архітектуру FPGA перед вивченням написання SystemVerilog RTL. Читачі також ознайомляться з основами комп’ютерної математики, конвеєрної обробки та паралелізму. Крім того, книга охоплює складні теми, такі як AXI та інтерфейс клавіатури PS/2.
Книга ідеально підходить для програмістів, інженерів та розробників вбудованих систем, які хочуть навчитися програмувати FPGA та SystemVerilog. Цей ресурс також підходить для розробників FPGA, які прагнуть отримати практичний досвід створення реальних проєктів.
#2. FPGA для програмістів
Ця книга знайомить інженерів програмного забезпечення зі світом FPGA та реконфігурованих технологій. Книга починається зі вступу до FPGA та її моделі програмування. Її варто використовувати, якщо ви хочете дізнатися, як FPGA реалізують різноманітні програми без процесу проектування апаратного забезпечення низького рівня.
Книга дає реалістичне розуміння завдань, для яких FPGA є відповідним рішенням, та як реалізовувати ці рішення з точки зору інженера-програміста. Орієнтований на користувача підхід дозволяє легко зрозуміти, де і як застосовується технологія FPGA. Цільовою аудиторією 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 з Knight Rider. Книга орієнтована на початківців і підходить тим, хто не має навичок програмування чи диплома інженера-електронника.
Книга представляє FPGA та пояснює їх відмінності від мікроконтролерів або ASIC. Це також ресурс для знайомства з налаштуванням ланцюжка інструментів та використанням 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 та FPGA. Якщо програмування FPGA є для вас новим терміном, це гарне місце для початку. Типові приклади, як-от лічильники та 7-сегментні дисплеї, допоможуть учням зробити перші кроки.
Книга знайомить учнів з Verilog та пропонує різні проміжні приклади, як-от VGA. Цей ресурс може бути неідеальним, якщо ви вже володієте знаннями Verilog та FPGA. Книга доступна у версіях для Kindle та Paperback.
Висновок
Іноді FPGA можуть працювати краще за 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. FPGA продовжують розвиватися, і ми можемо очікувати їх застосування в більшій кількості випадків з покращеною продуктивністю.