Hogyan működik az FPGA programozás?

Nagyon vékony a határ a hardver és a szoftver között. Amikor hardvert hoz létre kütyükhöz, például számítógépekhez, gondoskodnia kell arról, hogy az fusson és kódot hajtson végre.

A Field Programmable Gate Array (FPGA) egy hardver architektúra, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy bárhol és bármikor testreszabják az áramköröket.

Az FPGA programozás működésének megismerése értékes lesz, ha számítástechnikai vagy technológiai karriert szeretne folytatni.

Ebben a cikkben leírjuk, hogy mi az FPGA programozás, hogyan működik és hol alkalmazzák, és megosztunk különböző forrásokat, hogy jobban megvilágítsuk.

FPGA programozás

Az FPGA egy integrált áramkör (IC), amely konfigurálható logikai blokkokkal és számos egyéb szolgáltatással rendelkezik, amelyeket a felhasználó programozhat és újraprogramozhat.

A „field programable” kifejezés azt jelzi, hogy az FPGA képességei nem vezetékesek, hanem állíthatók. A felhasználók így bármikor módosíthatják az áramkör funkcióit, hogy megfeleljenek konkrét tervezési szándékaiknak.

Az FPGA programozás úgy írható le, mint az FPGA segítségével történő számítási megoldások létrehozásának folyamata.

A programozónak meg kell terveznie, meg kell terveznie és végre kell hajtania a kapuk architektúráját, hogy olyan funkcionális áramkört hozzon létre, amely megfelel a felhasználók igényeinek. Az FPGA programozás végső célja egy olyan hardver áramkör létrehozása, amely bekapcsoláskor meghatározott kimenetet generál.

Az FPGA áramköri lapjait úgy tervezték, hogy utánozzák a valós áramkörök viselkedését. Az ilyen áramköri lapokat ezért a minőségbiztosítási csapat leginkább új termékek tesztelésére használja. Az FPGA rendszernek különféle hardverelemei lesznek.

A logikai kapuk az FPGA építőköveiként működnek az alapszinten. A logikai kapuk logikai műveleteket hajtanak végre a bemeneti és kimeneti adatokon. Vannak olyan útválasztási erőforrások is, amelyek a jeleket egyik pontból a másikba irányítják.

Az FPGA programozás használati esetei

Az FPGA programozás nagyon vonzóvá vált a fejlesztők számára a modern világban.

Az alábbiakban bemutatunk néhány használati esetet;

  A GraphiTabs az ablakokat és lapokat fa elrendezésben jeleníti meg a jobb kezelés érdekében [Chrome]

#1. ASIC-ek tervezése

A fejlesztők most már alkalmazás-specifikus integrált áramköröket (ASIC) is tervezhetnek. Az ASIC-ek nagyon népszerűvé váltak a Bitcoin bányászat világában.

Az FPGA kialakítása megkönnyíti a hibák kijavítását. Az FPGA szépsége abban rejlik, hogy modellként használható más projektekhez, így hosszú távon időt és erőforrásokat takaríthat meg.

#2. Megújuló energia szektor

A szél- és napenergiából származó megújuló energia egyre népszerűbb a globális felmelegedés kihívásával szembesülő világban. Az átviteli és elosztó (T&D) alállomások hatékony villamosenergia-hálózatokat igényelnek az intelligens hálózatok optimális működéséhez.

Az FPGA-k nagyon hasznosak az intelligens hálózatok méretezhetőségének és teljesítményének javításában, miközben továbbra is fenntartják az alacsony energiafogyasztást.

#3. Repülés és védelem

A repülőgépek néha zord környezetben repülnek át. A gyártó vállalatok ezért olyan radikális és radikális sugárzástűrő FPGA-kat állítanak elő, amelyek nagyobb megbízhatóságot, teljesítményt és életciklus-igényt kínálnak az extrém környezetekben, mint a hagyományos ASIC-megvalósítások.

#4. Szerver alkalmazások

Az adatközpontok/szerverek egy dologgá váltak, mivel az adatfeldolgozási sebesség iránti igény napról napra nő. Az adatokat valós időben kell feldolgozni, még korlátozott tér- és időkorlátok mellett is.

Az FPGA a BRAM-on keresztül külső adattároló elemekhez való csatlakozást kínál, felgyorsítva az adatfeldolgozást a chipeken.

Az FPGA programozás előnyei

  • Az FPGA-k újrakonfigurálhatók. Figyelembe kell venni az FGPA-k használhatóságát. Konfigurálhatja az egyiket, és újrakonfigurálhatja, hogy egy másik alkalmazásban is használható legyen.
  • Az FGPA kevesebb kézi beavatkozást igényel. A szoftver FGPA környezetben kezeli az útválasztási, időzítési és elhelyezési feladatokat. Az ilyen feladatok időigényesek és összetettek lehetnek, ha manuálisan kezelik őket.
  • Az FPGA-k üres vásznakként érkeznek. A hagyományos, előre meghatározott funkciókkal rendelkező ASIC-ekkel ellentétben az FPGA-k átprogramozhatók különböző felhasználási esetekre. A mérnök így a HDL-ek (hardvertervezési nyelv) segítségével különböző felhasználási esetekre programozhat egy ilyen rendszert.
  • Prototípuskészítés. Az ASIC-ek gyártása költséges, és egy egyszerű hiba nagyon költséges lehet. Az ASIC piacra bocsátása előtt fontos megbizonyosodni arról, hogy rendszere működőképes, és megfelel a céljainak. Az FPGA-k újraprogramozhatók, ami azt jelenti, hogy addig tesztelheti a futtatásokat, amíg meg nem kapja a megfelelő tervezést.

Hogyan kell programozni az FPGA-t

Az FPGA-k futtatásához használt tervek elsősorban hardverleíró nyelveken (HDL) vannak kódolva, például SystemVerilog, Verilog és VHDL.

#1. Verilog

A Verilog ideális, ha néhány sornyi kódon belül szeretne FPGA-kat programozni. Ez a nyelv összehasonlítható a C-vel, annak ellenére, hogy hardveres architektúrára tervezték. A Verilogot azért hozták létre, hogy a HDL-t rugalmasabbá és robusztusabbá tegye.

  8 kriptográfiai híroldal, hogy lépést tartson a legújabb frissítésekkel

#2. SystemVerilog

A SystemVerilog a Verilog kiterjesztéseként jött létre. Ez egy hardverellenőrző és hardverleíró nyelv is. Ezzel a nyelvvel leírhatja a hardvermintákat, átalakíthatja azokat digitális kóddá, majd feltöltheti őket egy FPGA-rendszerbe meghatározott feladatok végrehajtásához.

#3. VHDL

A VHDL a nagyon nagy sebességű integrált áramköri hardverleíró nyelv rövid formája. A VHDL segítségével leírhatja az FPGA hardverét, lehetővé téve a felhasználók számára, hogy modellezzék és szimulálják azt, mielőtt a tényleges hardverbe kódolnák.

A VHDL-lel történő programozás megkönnyíti az áramkör lehetséges hibáinak meghatározását, amelyeket a felhasználók kijavíthatnak a végső kódolás előtt. A VHDL lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy megírják strukturált kódjukat.

A High-Level Synthesis (HLS), ahol a tervezés a C egy részhalmazában történik, és a fordító átalakítja a kódot Verilog kódra, népszerű az FPGA-kat programozni kívánó fejlesztők körében.

A fejlesztők így az általuk ismert nyelveket használhatják az FPGA-k tervezésére egységes szoftverplatformokon keresztül.

#4. Piton

Ez a többcélú programozási nyelv használható FPGA-k programozására. Ennek eléréséhez a Python a PYNQ-t, egy nyílt forráskódú projektet használ, amely megkönnyíti az AMD platformokkal való munkát.

#5. C és C++

A C-alapú nyelvek ideálisak az FPGA tervezéshez a magas szintű szintézis (HLS) miatt. Az AMD Vivado™ HLS fordító olyan programozási környezetet kínál, amely megosztja a kulcsfontosságú technológiákat speciális és szabványos processzorokkal, és optimalizálja a C-alapú programokat.

#6. AI platformok, mint a TensorFlow és a PyTorch

A mérnökök a Pytorch vagy a Tensorflow képzett mélytanulási modelljeit használják az FPGA-gyorsításhoz való fordításhoz. Ez a megközelítés kiküszöböli az alacsony szintű hardverprogramozás szükségességét, miközben továbbra is hihetetlenül gyors fordítást tesz lehetővé.

A normál programozási nyelveken (például Python, C vagy C++) írt kódokat szintetizálják, és szintetizáló eszközökön keresztül szabadalmaztatott összekapcsolási leírásokká alakítják át.

Az összekapcsolás leírását tartalmazó eredményül kapott fájlt bitfolyamnak nevezzük. A bitfolyam leírja, hogyan konfiguráljunk egy FPGA-t (hogyan csatlakoztassunk flip-flopokat, kapukat és különféle digitális áramköri elemeket az FPGA összekapcsolási mátrixán keresztül).

Az FPGA-k beépített konfigurációval rendelkeznek, amely beolvassa a bitfolyam fájlt, és ennek megfelelően konfigurálja az FPGA-t. A konfigurációs áramkör különféle megközelítésekkel tudja olvasni a bitfolyam fájlt, például párhuzamos flash memórián, JTAG-on és soros flash memórián keresztül.

Az FPGA kártyagyártók szoftvert/utasításokat biztosítanak a fejlesztőknek a rendszerek konfigurálásához/programozásához.

A legtöbb FPGA rendszer a lehető legtöbbször újraprogramozható. Az egyetlen korlátozás az, ha az ilyen rendszereket a specifikációtól eltérő körülmények, például kopás, hőmérséklet vagy magas feszültség károsítják.

  Hogyan lehet megtanulni a webalkalmazások biztonságát?

Az FPGA programozásról többet megtudhat ezekből az oktatóanyagokból

Tanulási források

#1. FPGA programozás kezdőknek

Ez a könyv bemutatja az FPGA programozás világát a SystemVerilog segítségével. A tanítási megközelítés projektalapú, ahol valós alkalmazásokat fejleszt, például billentyűzetet és számológépet.

A könyv bemutatja az FPGA architektúrát, mielőtt megvizsgálná, hogyan írjon SystemVerilog RTL-t. Ez a könyv bemutatja a számítógépes matematikai alapismereteket, a csővezetékeket és a párhuzamosságot is. A könyv olyan haladó témákat is érint, mint az AXI és a billentyűzet-interfész a PS/2-vel.

Ez a könyv ideális programozóknak, mérnököknek és beágyazott rendszerek fejlesztőinek, akik szeretnének megtanulni FPGA és SystemVerilog programozást. Ez az erőforrás olyan FPGA tervezők számára is megfelelő, akik gyakorlati tapasztalatra szomjaznak valós projektek létrehozásához.

#2. FPGA-k szoftverprogramozóknak

Ez a könyv bevezeti a szoftvermérnököket az FPGA-k és az újrakonfigurálható technológia világába. A könyv az FPGA és annak programozási modelljének bemutatásával kezdődik. Ez a könyv akkor is használható, ha meg akarja tanulni, hogy az FPGA-k hogyan valósítanak meg különféle alkalmazásokat alacsony szintű hardvertervezési folyamatok nélkül.

A könyv reális képet ad az FPGA-knak megfelelő problémákról és a megoldások megvalósításáról szoftvermérnöki szemszögből. A könyv felhasználó-orientált megközelítése megkönnyíti annak megértését, hogy hol és hogyan alkalmazható az FPGA technológia. A könyv célolvasói szoftvertervezők és FPGA tervezőmérnökök.

#3. FPGA kezdete: Metal programozás

Ez a könyv megtanítja az olvasóknak, hogyan használhatják a BeMicro MAX 10-et hőmérséklet-érzékelő, mozgásérzékelő, hőmérséklet-érzékelő és KITT autós kijelző elkészítéséhez a Knight Ridertől. A könyv kezdők számára készült, és azoknak is megfelelő, akik nem rendelkeznek programozási ismeretekkel vagy elektronikai mérnöki végzettséggel.

A könyv bemutatja az FPGA-kat, és elmagyarázza különbségeiket a mikrovezérlőktől vagy ASIC-ektől. Ez az a forrás is, amely bemutatja az eszközlánc beállítását és a VHDL használatát az FPGA programozásához. A könyv ideális az elektronika és a Raspberry Pi szerelmeseinek, akik gyakorlati bevezetést szeretnének az FPGA-k világába.

#4. FPGA-k programozása: A Verilog használatának megkezdése

Ez a könyv tökéletes, ha még soha nem használta a Verilogot és az FPGA-kat. Ha az FPGA programozás új kifejezés számodra, akkor ez egy jó hely a kezdéshez. A tipikus minták, például a számlálók és a 7 szegmenses kijelzők jobb lábra állítják a tanulókat.

A könyv bemutatja a tanulóknak a Verilogot, és különféle köztes példákat kínál, például a VGA-t. Ez az erőforrás nem feltétlenül ideális, ha már rendelkezik Verilog- és FPGA-ismeretekkel. Ez a könyv Kindle és Paperback verzióban érhető el.

Következtetés

Az FPGA-k időnként jobban teljesítenek, mint a GPU-k alacsony késleltetésű mély tanulási alkalmazásokban. Az FPGA programozás alapvető készség, mivel az FPGA felhasználható a fogyasztói elektronikában, az ipari automatizálásban és a katonai alkalmazásokban, sok más alkalmazás mellett. Az FPGA-k még mindig fejlődnek, és már csak várhatjuk, hogy finomhangoljuk őket több felhasználási esetre és jobb teljesítményre.