Există o linie foarte subțire între hardware și software. Când creați hardware pentru gadgeturi precum computere, trebuie să vă asigurați că rulează și execută cod.
Field Programmable Gate Array (FPGA) este o formă de arhitectură hardware care permite utilizatorilor să personalizeze circuitele din orice loc și în orice moment.
Învățarea despre cum funcționează programarea FPGA va fi valoroasă dacă doriți să urmați o carieră în informatică sau tehnologie.
În acest articol, vom descrie ce este programarea FPGA, cum funcționează și unde este aplicată și vom împărtăși diverse resurse pentru a face mai multă lumină asupra acesteia.
Cuprins
Programare FPGA
Un FPGA este un circuit integrat (IC) cu blocuri logice configurabile și un sortiment de alte caracteristici care pot fi programate și reprogramate de utilizator.
Expresia „programabil în câmp” indică că abilitățile FPGA nu sunt conectate, ci reglabile. Utilizatorii pot astfel modifica oricând funcțiile circuitului pentru a-și îndeplini intențiile specifice de proiectare.
Programarea FPGA poate fi descrisă ca procesul de creare a soluțiilor de calcul folosind FPGA.
Programatorul trebuie să planifice, să proiecteze și să execute arhitectura porților pentru a crea un circuit funcțional care să răspundă nevoilor utilizatorilor. Scopul final al programării FPGA este de a crea un circuit hardware care generează o ieșire specifică atunci când este pornit.
Plăcile de circuite de pe un FPGA sunt proiectate pentru a imita comportamentul circuitelor din lumea reală. Astfel de plăci de circuite sunt, prin urmare, cele mai utilizate de către echipa de asigurare a calității pentru a testa produse noi. Un sistem FPGA va avea diverse elemente hardware.
Porțile logice acționează ca elemente de bază ale FPGA la nivelul de bază. Porțile logice efectuează operații booleene asupra datelor de intrare și de ieșire. Există, de asemenea, resurse de rutare care direcţionează semnalele de la un punct la altul.
Cazuri de utilizare ale programării FPGA
Programarea FPGA a devenit foarte atractivă pentru dezvoltatorii din lumea modernă.
Următoarele sunt câteva dintre cazurile de utilizare;
#1. Proiectarea ASIC-urilor
Dezvoltatorii pot proiecta acum circuite integrate specifice aplicației (ASIC). ASIC-urile au devenit foarte populare în lumea mineritului Bitcoin.
Designul FPGA facilitează corectarea erorilor. Frumusețea unui FPGA este că puteți folosi unul ca model pentru alte proiecte și astfel economisiți timp și resurse pe termen lung.
#2. Sectorul energiei regenerabile
Energia regenerabilă din vânt și solar devine din ce în ce mai populară într-o lume care se confruntă cu provocarea 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
Avioanele zboară uneori prin medii dure. Companiile producătoare produc astfel FPGA-uri extrem de rezistente și tolerante la radiații care oferă mai multe cerințe de fiabilitate, performanță și ciclu de viață ale mediilor extreme decât implementările tradiționale ASIC.
#4. Aplicații server
Centrele de date/serverele au devenit un lucru pe măsură ce cererea pentru viteza de procesare a datelor crește cu fiecare zi care trece. Datele trebuie procesate în timp real, chiar și în condiții limitate de spațiu și timp.
FPGA, prin BRAM, poate oferi conectivitate la elementele externe de stocare a datelor, accelerând procesarea datelor pe cipuri.
Beneficiile programării FPGA
- FPGA-urile sunt reconfigurabile. Trebuie luată în considerare posibilitatea de utilizare a FGPA. Puteți configura unul și îl puteți reconfigura pentru a fi utilizat într-o altă aplicație.
- FGPA necesită mai puțină intervenție manuală. Software-ul gestionează sarcinile de rutare, sincronizare și plasare într-un mediu FGPA. Astfel de sarcini pot fi consumatoare de timp și complexe dacă sunt gestionate manual.
- FPGA-urile vin ca pânze goale. Spre deosebire de ASIC-urile tradiționale cu funcționalități predefinite, FPGA-urile pot fi reprogramate pentru diferite cazuri de utilizare. Un inginer poate astfel programa un astfel de sistem pentru diferite cazuri de utilizare folosind HDL-uri (Hardware Design Language).
- Prototiparea. ASIC-urile sunt costisitoare de fabricat, iar o simplă greșeală poate fi foarte costisitoare. Înainte de a vă lansa ASIC-ul pe piață, este important să vă asigurați că sistemul dumneavoastră este funcțional și îndeplinește obiectivele pentru care a fost proiectat. FPGA-urile sunt reprogramabile, ceea ce înseamnă că puteți testa rulările până când obțineți designul corect.
Cum se programează un FPGA
Design-urile utilizate pentru a rula FPGA-uri sunt codificate în principal în limbaje de descriere hardware (HDL), cum ar fi SystemVerilog, Verilog și VHDL.
#1. Verilog
Verilog este ideal dacă doriți să programați FPGA-uri în câteva linii de cod. Acest limbaj este comparabil 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 creat ca extensie Verilog. Este atât un limbaj de verificare hardware, cât și un limbaj de descriere hardware. Cu acest limbaj, puteți descrie modele hardware, le puteți converti în cod digital și apoi le puteți încărca într-un sistem FPGA pentru a efectua sarcini specificate.
#3. VHDL
VHDL este forma scurtă pentru limbajul de descriere hardware a circuitelor integrate de foarte mare viteză. Cu VHDL, puteți descrie hardware-ul unui FPGA, permițând utilizatorilor să-l modeleze și să simuleze înainte de a-l codifica în hardware-ul propriu-zis.
Programarea cu VHDL facilitează determinarea erorilor potențiale în circuit pe care utilizatorii le pot remedia înainte de codificarea finală. VHDL permite utilizatorilor să-și scrie codul structurat.
High-Level Synthesis (HLS), în care proiectarea este realizată într-un subset de C, iar compilatorul transformă codul în cod Verilog, este populară printre dezvoltatorii care doresc să programeze FPGA.
Dezvoltatorii pot folosi astfel limbile cu care sunt familiarizați pentru a proiecta FPGA-uri prin platforme software unificate.
#4. Piton
Acest limbaj de programare multifuncțional poate fi folosit pentru a programa FPGA-uri. Pentru a realiza acest lucru, Python folosește 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, care optimizează programele bazate pe C.
#6. Platforme AI precum TensorFlow și PyTorch
Inginerii folosesc modele de deep-learning instruite de la Pytorch sau Tensorflow pentru a compila pentru accelerarea FPGA. O astfel de abordare elimină nevoia de programare hardware de nivel scăzut, realizând totuși o compilare extraordinar de rapidă.
Codul scris în limbaje de programare normale, cum ar fi Python, C sau C++, este sintetizat și convertit în descrieri de interconectare proprietare prin instrumente de sinteză.
Fișierul rezultat care conține descrierea interconectarii este cunoscut sub numele de flux de biți. Un flux de biți descrie modul de configurare a 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 abordări, cum ar fi memoria flash paralelă, JTAG și memoria flash serială.
Producătorii de plăci FPGA oferă software/instrucțiuni pe care dezvoltatorii le folosesc pentru a configura/programa sistemele.
Majoritatea sistemelor FPGA pot fi reprogramate de cât mai multe ori posibil. Singura limitare este atunci când astfel de sisteme sunt deteriorate de condiții în afara specificațiilor, cum ar fi uzura, temperatura sau tensiunea înaltă.
Puteți afla mai multe despre programarea FPGA prin intermediul acestor resurse de învățare
Resurse de învățare
#1. Programare FPGA pentru începători
Această carte vă prezintă lumea programării FPGA folosind SystemVerilog. Abordarea de predare se bazează pe proiecte, în care dezvoltați aplicații din lumea reală, cum ar fi o tastatură și un calculator.
Cartea prezintă arhitectura FPGA înainte de a explora cum se scrie SystemVerilog RTL. Această carte vă prezintă, de asemenea, elementele de bază ale matematicii computerizate, pipelining și paralelism. Cartea abordează, de asemenea, subiecte avansate, cum ar fi AXI și interfața tastaturii cu PS/2.
Această carte este ideală pentru programatori, ingineri și dezvoltatori de sisteme încorporate care doresc să învețe programarea FPGA și SystemVerilog. Această resursă este potrivită și pentru designerii FPGA care doresc experiență practică în crearea de proiecte în lumea reală.
#2. FPGA pentru programatori de software
Această carte îi prezintă inginerilor software în lumea FPGA-urilor și a tehnologiei reconfigurabile. Cartea începe prin a prezenta FPGA și modelul său de programare. Aceasta este și cartea de folosit dacă doriți să aflați cum FPGA-urile implementează diverse aplicații fără procese de proiectare hardware de nivel scăzut.
Cartea oferă o idee realistă a problemelor care se potrivesc FPGA-urilor și a modului de implementare a soluțiilor din punctul de vedere al unui inginer software. Abordarea orientată către utilizator din această carte face ușor de înțeles unde se aplică tehnologia FPGA și cum. Cititorii țintă ai acestei cărți sunt designerii de software și inginerii de proiectare FPGA.
#3. Începutul FPGA: Metal de programare
Această carte învață cititorii cum să folosească BeMicro MAX 10 pentru a construi un senzor de temperatură, un senzor de mișcare, un senzor de temperatură și un afișaj auto KITT de la Knight Rider. Cartea este prietenoasă pentru începători și potrivită pentru cei fără abilități de programare sau o diplomă de inginerie electronică.
Cartea prezintă FPGA-urile și explică diferențele lor față de microcontrolere sau ASIC. Este, de asemenea, resursa pentru a vă prezenta cum să configurați un lanț de instrumente și să utilizați VHDL pentru a programa FPGA. Cartea este ideală pentru pasionații de electronice și Raspberry Pi care doresc o introducere practică în lumea FPGA.
#4. Programarea FPGA-urilor: Noțiuni introductive cu Verilog
Această carte este perfectă dacă nu ați interacționat niciodată cu Verilog și FPGA. Dacă programarea FPGA este un termen nou pentru dvs., acesta este un loc bun pentru a începe. Eșantioanele tipice, cum ar fi contoarele și afișajele cu 7 segmente, vor atrage cursanții pe piciorul potrivit.
Cartea prezintă cursanților Verilog și oferă diverse exemple intermediare, cum ar fi VGA. Este posibil ca această resursă să nu fie ideală dacă aveți deja cunoștințe despre Verilog și FPGA. Această carte este disponibilă în versiunile Kindle și Paperback.
Concluzie
FPGA-urile pot, uneori, să funcționeze mai bine decât GPU-urile în aplicațiile de învățare profundă cu latență scăzută. Programarea FPGA este o abilitate esențială, deoarece FPGA poate fi utilizat în electronice de larg consum, automatizări industriale și aplicații militare, printre multe alte aplicații. FPGA-urile încă evoluează și nu putem decât să așteptăm să le vedem reglate fin pentru mai multe cazuri de utilizare și performanțe mai bune.