Granița dintre hardware și software este adesea neclară. Atunci când se dezvoltă hardware pentru dispozitive precum computerele, este esențial să se asigure că acesta poate rula și executa cod.
Matricea de porți programabile pe teren (FPGA) reprezintă o arhitectură hardware ce permite utilizatorilor să adapteze circuitele în orice loc și în orice moment.
Aprofundarea cunoștințelor despre mecanismele de funcționare ale programării FPGA se dovedește utilă pentru cei care aspiră la o carieră în domeniul informaticii sau al tehnologiei.
În cadrul acestui articol, vom explora noțiunile de bază ale programării FPGA, vom analiza principiile sale de funcționare și domeniile de aplicabilitate, oferind, totodată, resurse variate pentru o înțelegere mai aprofundată.
Programarea FPGA
Un FPGA este un circuit integrat (CI) ce dispune de blocuri logice configurabile și o serie de alte caracteristici care pot fi programate și reprogramate de utilizator.
Termenul „programabil în câmp” subliniază faptul că abilitățile FPGA nu sunt fixe, ci adaptabile. Astfel, utilizatorii au libertatea de a modifica funcțiile circuitului în orice moment pentru a satisface cerințele specifice ale proiectului lor.
Programarea FPGA poate fi definită ca procesul de creare a soluțiilor de calcul prin intermediul FPGA.
Programatorul trebuie să elaboreze, să conceapă și să implementeze arhitectura porților pentru a dezvolta un circuit funcțional care să răspundă nevoilor utilizatorilor. Scopul fundamental al programării FPGA este de a genera un circuit hardware ce produce un rezultat specific atunci când este activat.
Plăcile de circuite ale unui FPGA sunt concepute pentru a imita comportamentul circuitelor din lumea reală. Prin urmare, aceste plăci sunt utilizate frecvent de către echipele de asigurare a calității pentru testarea produselor noi. Un sistem FPGA este alcătuit din diverse elemente hardware.
La nivel fundamental, porțile logice constituie componentele de bază ale FPGA-urilor. Aceste porți logice execută operații booleene asupra datelor de intrare și de ieșire. De asemenea, există resurse de rutare ce dirijează semnalele dintr-un punct în altul.
Aplicații ale Programării FPGA
Programarea FPGA a devenit o opțiune foarte atractivă pentru dezvoltatorii din lumea contemporană.
Iată câteva dintre domeniile de aplicare:
#1. Proiectarea ASIC-urilor
În prezent, dezvoltatorii pot crea circuite integrate specifice aplicației (ASIC). ASIC-urile au câștigat popularitate în sectorul minier Bitcoin.
Proiectarea FPGA permite corectarea facilă a erorilor. Un avantaj al FPGA-urilor este că pot fi utilizate ca model pentru alte proiecte, economisind astfel timp și resurse pe termen lung.
#2. Sectorul energiei regenerabile
Energia regenerabilă eoliană și solară devine din ce în ce mai răspândită într-o lume care se confruntă cu problema încălzirii globale. Stațiile de transport și distribuție (T&D) necesită rețele de energie eficiente pentru ca rețelele inteligente să funcționeze optim.
FPGA-urile sunt foarte utile în îmbunătățirea scalabilității și a performanței rețelelor inteligente, menținând, în același timp, un consum redus de energie.
#3. Aerospațial și apărare
Adesea, aeronavele zboară în medii nefavorabile. Companiile producătoare dezvoltă FPGA-uri extrem de rezistente și tolerante la radiații, care îndeplinesc cerințele de fiabilitate, performanță și ciclu de viață ale mediilor extreme, depășind implementările tradiționale ASIC.
#4. Aplicații server
Centrele de date/serverele au devenit indispensabile, odată cu creșterea zilnică a cererii de viteză de procesare a datelor. Datele trebuie procesate în timp real, chiar și în condiții limitate de spațiu și timp.
FPGA-urile, prin intermediul BRAM, pot asigura conectivitatea cu elementele externe de stocare a datelor, accelerând procesarea datelor pe cipuri.
Beneficiile programării FPGA
- FPGA-urile sunt reconfigurabile. Este necesar să se ia în considerare posibilitatea utilizării FGPA. Acesta poate fi configurat și reconfigurat pentru a fi utilizat într-o altă aplicație.
- FGPA necesită intervenție manuală redusă. Software-ul gestionează sarcinile de rutare, sincronizare și plasare într-un mediu FGPA. Aceste sarcini ar fi consumatoare de timp și complexe dacă ar fi gestionate manual.
- FPGA-urile vin ca panouri goale. Spre deosebire de ASIC-urile tradiționale cu funcționalități predefinite, FPGA-urile pot fi reprogramate pentru diverse cazuri de utilizare. Un inginer poate programa astfel de sisteme pentru diverse aplicații folosind HDL-uri (Hardware Design Language).
- Prototiparea. ASIC-urile sunt costisitoare de fabricat, iar o simplă eroare poate fi extrem de costisitoare. Înainte de a lansa un ASIC pe piață, este esențial să se asigure funcționalitatea și îndeplinirea obiectivelor pentru care a fost proiectat. FPGA-urile sunt reprogramabile, ceea ce înseamnă că rulările pot fi testate până când se obține designul optim.
Cum se programează un FPGA
Designurile utilizate pentru a rula FPGA-uri sunt codificate în principal în limbaje de descriere hardware (HDL), precum SystemVerilog, Verilog și VHDL.
#1. Verilog
Verilog este ideal dacă doriți să programați FPGA-uri în câteva linii de cod. Acest limbaj este similar cu C, chiar dacă este conceput pentru arhitectura hardware. Verilog a fost creat pentru a face HDL mai flexibil și mai robust.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog a fost conceput ca o extensie a Verilog. Este atât un limbaj de verificare hardware, cât și un limbaj de descriere hardware. Cu acest limbaj, pot fi descrise modele hardware, transformate în cod digital și apoi încărcate într-un sistem FPGA pentru a efectua anumite sarcini.
#3. VHDL
VHDL este o prescurtare pentru limbajul de descriere hardware a circuitelor integrate de foarte mare viteză. Cu VHDL, poate fi descris hardware-ul unui FPGA, permițând utilizatorilor să-l modeleze și să-l simuleze înainte de a-l codifica în hardware-ul propriu-zis.
Programarea cu VHDL facilitează identificarea erorilor potențiale din circuit, pe care utilizatorii le pot remedia înainte de codificarea finală. VHDL permite utilizatorilor să scrie codul într-o manieră structurată.
Sinteza de nivel înalt (HLS), în care proiectarea este realizată într-un subset de C, iar compilatorul transformă codul în cod Verilog, este o metodă preferată de dezvoltatorii care doresc să programeze FPGA.
Astfel, dezvoltatorii pot utiliza limbajele cu care sunt familiarizați pentru a proiecta FPGA-uri prin intermediul platformelor software unificate.
#4. Python
Acest limbaj de programare polivalent poate fi utilizat pentru a programa FPGA-uri. Pentru aceasta, Python utilizează PYNQ, un proiect open-source care facilitează lucrul cu platformele AMD.
#5. C și C++
Limbajele bazate pe C sunt ideale pentru proiectarea FPGA datorită sintezei de nivel înalt (HLS). Compilatorul AMD Vivado™ HLS oferă un mediu de programare care partajează tehnologii cheie cu procesoare specializate și standard, optimizând programele bazate pe C.
#6. Platforme AI precum TensorFlow și PyTorch
Inginerii utilizează modele de învățare profundă instruite de Pytorch sau Tensorflow pentru a compila în vederea accelerării FPGA. Această abordare elimină necesitatea programării hardware de nivel scăzut, asigurând, în același timp, o compilare extrem de rapidă.
Codul scris în limbaje de programare uzuale, cum ar fi Python, C sau C++, este sintetizat și transformat în descrieri de interconectare proprietare prin intermediul instrumentelor de sinteză.
Fișierul rezultat, care conține descrierea interconectării, este cunoscut sub numele de flux de biți. Un flux de biți descrie modul de configurare al unui FPGA (cum se conectează bistabile, porți și diferite elemente de circuit digital prin matricea de interconectare a FPGA).
FPGA-urile au o configurație încorporată care citește fișierul bitstream și, în consecință, configurează FPGA. Circuitul de configurare poate citi fișierul flux de biți prin diverse metode, precum memoria flash paralelă, JTAG și memoria flash serială.
Producătorii de plăci FPGA oferă software/instrucțiuni pe care dezvoltatorii le utilizează pentru a configura/programa sistemele.
Majoritatea sistemelor FPGA pot fi reprogramate de numeroase ori. Singura limitare intervine atunci când astfel de sisteme sunt deteriorate de condiții din afara specificațiilor, precum uzura, temperatura sau tensiunea înaltă.
Pentru mai multe informații despre programarea FPGA, vă invităm să consultați următoarele resurse de învățare
Resurse de învățare
#1. Programare FPGA pentru începători
Această carte introduce cititorul în lumea programării FPGA utilizând SystemVerilog. Abordarea de predare se bazează pe proiecte practice, în cadrul cărora sunt dezvoltate aplicații din lumea reală, precum o tastatură și un calculator.
Cartea prezintă arhitectura FPGA înainte de a explica modul de scriere SystemVerilog RTL. De asemenea, sunt expuse noțiunile de bază ale matematicii computerizate, pipelining și paralelism. Cartea abordează și subiecte avansate, precum AXI și interfața tastaturii cu PS/2.
Această carte se adresează programatorilor, inginerilor și dezvoltatorilor de sisteme încorporate care doresc să învețe programarea FPGA și SystemVerilog. De asemenea, este utilă pentru designerii FPGA care doresc experiență practică în crearea de proiecte din lumea reală.
#2. FPGA pentru programatori software
Această carte oferă o introducere inginerilor software în universul FPGA-urilor și al tehnologiei reconfigurabile. Cartea începe prin a prezenta FPGA și modelul său de programare. De asemenea, este o sursă utilă pentru a afla cum FPGA-urile implementează diverse aplicații fără procese de proiectare hardware de nivel scăzut.
Cartea oferă o perspectivă realistă asupra problemelor compatibile cu FPGA-urile și asupra modului de implementare a soluțiilor din punctul de vedere al unui inginer software. Abordarea orientată către utilizator a cărții facilitează înțelegerea domeniilor de aplicabilitate ale tehnologiei FPGA. Publicul țintă al acestei cărți include designeri de software și ingineri de proiectare FPGA.
#3. Începutul FPGA: Metal de programare
Această carte le oferă cititorilor cunoștințele necesare pentru a utiliza BeMicro MAX 10 în vederea construirii unui senzor de temperatură, a unui senzor de mișcare, a unui senzor de temperatură și a unui afișaj auto KITT de la Knight Rider. Cartea este accesibilă începătorilor și potrivită pentru cei fără abilități de programare sau diplomă în inginerie electronică.
Cartea introduce conceptul de FPGA și explică diferențele dintre acestea și microcontrolere sau ASIC-uri. De asemenea, prezintă modul de configurare a unui lanț de instrumente și utilizarea VHDL pentru programarea FPGA-urilor. Cartea se adresează pasionaților de electronică și Raspberry Pi care doresc o introducere practică în lumea FPGA.
#4. Programarea FPGA-urilor: Noțiuni introductive cu Verilog
Această carte este ideală pentru cei care nu au interacționat niciodată cu Verilog și FPGA. Dacă programarea FPGA este un concept nou, aceasta este o resursă bună pentru a începe. Exemplele uzuale, cum ar fi contoarele și afișajele cu 7 segmente, vor atrage cursanții în mod corespunzător.
Cartea introduce cursanții în limbajul Verilog și oferă diverse exemple intermediare, cum ar fi VGA. Este posibil ca această resursă să nu fie ideală pentru cei care dețin deja cunoștințe despre Verilog și FPGA. Cartea este disponibilă în versiunile Kindle și broșată.
Concluzie
În unele cazuri, FPGA-urile pot performa mai bine decât GPU-urile în aplicațiile de învățare profundă cu latență scăzută. Programarea FPGA este o abilitate esențială, având în vedere că FPGA-urile sunt utilizate în electronice de larg consum, automatizări industriale și aplicații militare, printre multe altele. FPGA-urile sunt într-o continuă evoluție, iar așteptările noastre vizează perfecționarea acestora pentru un număr mai mare de aplicații și performanțe îmbunătățite.