Mezi hardwarem a softwarem je velmi tenká hranice. Při vytváření hardwaru pro gadgety, jako jsou počítače, musíte zajistit, aby běžel a spouštěl kód.
Field Programmable Gate Array (FPGA) je forma hardwarové architektury, která uživatelům umožňuje přizpůsobit obvody z libovolného místa a kdykoli.
Dozvědět se, jak funguje programování FPGA, bude cenné, pokud se chcete věnovat kariéře v počítačové vědě nebo technologii.
V tomto článku popíšeme, co je programování FPGA, jak funguje a kde se používá, a podělíme se o různé zdroje, abychom do něj vnesli více světla.
Table of Contents
Programování FPGA
FPGA je integrovaný obvod (IC) s konfigurovatelnými logickými bloky a řadou dalších funkcí, které může uživatel naprogramovat a přeprogramovat.
Fráze ‚field programmable‘ znamená, že schopnosti FPGA nejsou pevně zapojené, ale nastavitelné. Uživatelé tak mohou kdykoli upravit funkce obvodu tak, aby vyhovovaly jejich specifickým konstrukčním záměrům.
Programování FPGA lze popsat jako proces vytváření výpočetních řešení pomocí FPGA.
Programátor musí naplánovat, navrhnout a realizovat architekturu bran, aby vytvořil funkční obvod, který splňuje potřeby uživatelů. Konečným cílem programování FPGA je vytvořit hardwarový obvod, který po zapnutí generuje specifický výstup.
Obvodové desky na FPGA jsou navrženy tak, aby napodobovaly chování reálných obvodů. Takové desky plošných spojů jsou proto týmem pro zajištění kvality nejvíce využívány k testování nových produktů. Systém FPGA bude mít různé hardwarové prvky.
Logická hradla fungují jako stavební bloky FPGA na základní úrovni. Logická hradla provádějí booleovské operace se vstupními a výstupními daty. Existují také směrovací prostředky, které směrují signály z jednoho bodu do druhého.
Případy použití programování FPGA
Programování FPGA se stalo pro vývojáře v moderním světě velmi atraktivní.
Následují některé případy použití;
#1. Navrhování ASIC
Vývojáři nyní mohou navrhovat integrované obvody specifické pro aplikaci (ASIC). ASIC se staly velmi populární ve světě těžby bitcoinů.
Konstrukce FPGA usnadňuje opravu chyb. Krása FPGA spočívá v tom, že jeden můžete použít jako model pro jiné projekty, a tím ušetřit čas a zdroje v dlouhodobém horizontu.
#2. Sektor obnovitelné energie
Obnovitelná energie z větru a slunce je stále populárnější ve světě, který čelí problému globálního oteplování. Přenosové a distribuční (T&D) rozvodny vyžadují efektivní energetické sítě, aby chytré sítě fungovaly optimálně.
FPGA jsou velmi užitečné při zlepšování škálovatelnosti a výkonu inteligentních sítí při zachování nízké spotřeby energie.
#3. Letectví a obrana
Letadla někdy létají drsným prostředím. Výrobní společnosti tak produkují FPGA odolné vůči radám a tolerantní vůči radám, které nabízejí vyšší spolehlivost, výkon a požadavky na životnost v extrémních prostředích než tradiční implementace ASIC.
#4. Serverové aplikace
Datová centra/servery se staly věcí, protože požadavky na rychlost zpracování dat se každým dnem zvyšují. Data je třeba zpracovávat v reálném čase, a to i za omezeného prostoru a času.
FPGA prostřednictvím BRAM může nabídnout konektivitu k externím prvkům pro ukládání dat, což urychluje zpracování dat na čipech.
Výhody programování FPGA
- FPGA jsou rekonfigurovatelné. Je třeba zvážit použitelnost FGPA. Jeden můžete nakonfigurovat a překonfigurovat pro použití v jiné aplikaci.
- FGPA vyžaduje méně manuálních zásahů. Software zpracovává úlohy směrování, načasování a umístění v prostředí FGPA. Takové úkoly mohou být časově náročné a složité, pokud jsou zpracovávány ručně.
- FPGA přicházejí jako prázdná plátna. Na rozdíl od tradičních ASIC s předdefinovanými funkcemi lze FPGA přeprogramovat pro různé případy použití. Technik tak může naprogramovat takový systém pro různé případy použití pomocí HDL (Hardware Design Language).
- Prototypování. ASIC jsou drahé na výrobu a jednoduchá chyba může být velmi drahá. Než uvedete svůj ASIC na trh, je důležité se ujistit, že váš systém je funkční a splňuje cíle, pro které byl navržen. FPGA jsou přeprogramovatelné, což znamená, že můžete testovat běhy, dokud nezískáte správný návrh.
Jak programovat FPGA
Návrhy používané ke spouštění FPGA jsou primárně kódovány v jazycích pro popis hardwaru (HDL), jako jsou SystemVerilog, Verilog a VHDL.
#1. Verilog
Verilog je ideální, pokud chcete programovat FPGA v několika řádcích kódu. Tento jazyk je srovnatelný s C, i když je navržen pro hardwarovou architekturu. Verilog byl vytvořen, aby byl HDL flexibilnější a robustnější.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog byl vytvořen jako rozšíření Verilog. Je to jazyk pro ověřování hardwaru a popis hardwaru. Pomocí tohoto jazyka můžete popsat hardwarové vzory, převést je na digitální kód a poté je nahrát do systému FPGA, abyste mohli provádět zadané úkoly.
#3. VHDL
VHDL je zkrácená forma pro jazyk popisu hardwaru velmi vysokorychlostních integrovaných obvodů. Pomocí VHDL můžete popsat hardware FPGA, což uživatelům umožní jej modelovat a simulovat předtím, než jej zakódují do skutečného hardwaru.
Programování pomocí VHDL usnadňuje určení potenciálních chyb v obvodu, které mohou uživatelé opravit před konečným kódováním. VHDL umožňuje uživatelům psát jejich strukturovaný kód.
High-Level Synthesis (HLS), kde se návrh provádí v podmnožině C a kompilátor transformuje kód do kódu Verilog, je oblíbený u vývojářů, kteří chtějí programovat FPGA.
Vývojáři tak mohou používat jazyky, které znají, k navrhování FPGA prostřednictvím unifikovaných softwarových platforem.
#4. Krajta
Tento víceúčelový programovací jazyk lze použít k programování FPGA. K dosažení tohoto cíle používá Python PYNQ, open-source projekt, který usnadňuje práci s platformami AMD.
#5. C a C++
Jazyky založené na C jsou ideální pro návrh FPGA díky vysokoúrovňové syntéze (HLS). Kompilátor AMD Vivado™ HLS nabízí programovací prostředí sdílející klíčové technologie se specializovanými a standardními procesory, které optimalizuje programy založené na C.
#6. Platformy AI jako TensorFlow a PyTorch
Inženýři používají trénované modely hlubokého učení od Pytorch nebo Tensorflow ke kompilaci pro akceleraci FPGA. Takový přístup eliminuje potřebu nízkoúrovňového hardwarového programování a přitom stále dosahuje bleskově rychlé kompilace.
Kód napsaný v normálních programovacích jazycích, jako je Python, C nebo C++, je syntetizován a převeden na proprietární popisy propojení pomocí nástrojů pro syntézu.
Výsledný soubor obsahující popis propojení se nazývá bitový proud. Bitstream popisuje, jak nakonfigurovat FPGA (jak připojit klopné obvody, hradla a různé prvky digitálního obvodu přes propojovací matici FPGA).
FPGA mají vestavěnou konfiguraci, která čte soubor bitového toku a podle toho konfiguruje FPGA. Konfigurační obvod může číst soubor bitového toku pomocí různých přístupů, jako je paralelní flash paměť, JTAG a sériová flash paměť.
Výrobci desek FPGA poskytují vývojářům software/instrukce, které používají ke konfiguraci/programování systémů.
Většina systémů FPGA může být přeprogramována tolikrát, kolikrát je to možné. Jediným omezením je, když jsou takové systémy poškozeny neodpovídajícími podmínkami, jako je opotřebení, teplota nebo vysoké napětí.
Více o programování FPGA se můžete dozvědět prostřednictvím těchto výukových zdrojů
Výukové zdroje
#1. Programování FPGA pro začátečníky
Tato kniha vás uvede do světa programování FPGA pomocí SystemVerilog. Výukový přístup je projektový, kde vyvíjíte aplikace v reálném světě, jako je klávesnice a kalkulačka.
Kniha představuje architekturu FPGA předtím, než prozkoumá, jak psát SystemVerilog RTL. Tato kniha vás také seznámí se základy počítačové matematiky, zřetězením a paralelismem. Kniha se také dotýká pokročilých témat, jako je AXI a klávesnice s PS/2.
Tato kniha je ideální pro programátory, inženýry a vývojáře vestavěných systémů, kteří se chtějí naučit programování FPGA a SystemVerilog. Tento zdroj je také vhodný pro návrháře FPGA, kteří touží po praktických zkušenostech s vytvářením projektů v reálném světě.
#2. FPGA pro softwarové programátory
Tato kniha uvádí softwarové inženýry do světa FPGA a rekonfigurovatelných technologií. Kniha začíná představením FPGA a jeho programovacího modelu. Toto je také kniha, kterou můžete použít, pokud se chcete naučit, jak FPGA implementují různé aplikace bez nízkoúrovňových procesů návrhu hardwaru.
Kniha poskytuje realistický pocit problémů, které vyhovují FPGA a jak implementovat řešení z pohledu softwarového inženýra. Přístup orientovaný na uživatele v této knize usnadňuje pochopení toho, kde a jak je technologie FPGA použitelná. Cílovými čtenáři této knihy jsou softwaroví návrháři a konstruktéři FPGA.
#3. Začátek FPGA: Programming Metal
Tato kniha učí čtenáře, jak používat BeMicro MAX 10 k sestavení teplotního senzoru, pohybového senzoru, teplotního senzoru a KITT autodispleje od Knight Rider. Kniha je vhodná pro začátečníky a je vhodná pro ty, kteří nemají znalosti programování nebo nemají vysokoškolské vzdělání v oboru elektroniky.
Kniha představuje FPGA a vysvětluje jejich rozdíly od mikrokontrolérů nebo ASIC. Je to také zdroj, který vám představí, jak nastavit řetězec nástrojů a používat VHDL k programování FPGA. Kniha je ideální pro nadšence do elektroniky a Raspberry Pi, kteří chtějí mít praktický úvod do světa FPGA.
#4. Programování FPGA: Začínáme s Verilog
Tato kniha je perfektní, pokud jste nikdy nekomunikovali s Verilog a FPGA. Pokud je pro vás programování FPGA novým pojmem, je to dobré místo, kde začít. Typické vzorky, jako jsou počítadla a 7segmentové displeje, dostanou studenty na správnou nohu.
Kniha seznamuje studenty s Verilogem a nabízí různé středně pokročilé příklady, jako je VGA. Tento zdroj nemusí být ideální, pokud již máte znalosti Verilog a FPGA. Tato kniha je k dispozici ve verzích Kindle a Paperback.
Závěr
FPGA mohou občas fungovat lépe než GPU v aplikacích hlubokého učení s nízkou latencí. Programování FPGA je základní dovedností, protože FPGA lze kromě mnoha dalších aplikací použít ve spotřební elektronice, průmyslové automatizaci a vojenských aplikacích. FPGA se stále vyvíjejí a můžeme jen čekat, až je uvidíme vyladěné pro více případů použití a lepší výkon.