Det er en veldig tynn linje mellom maskinvare og programvare. Når du lager maskinvare for dingser som datamaskiner, må du sørge for at den kjører og kjører kode.
Field Programmable Gate Array (FPGA) er en maskinvarearkitekturform som lar brukere tilpasse kretser fra hvor som helst og når som helst.
Å lære om hvordan FPGA-programmering fungerer vil være verdifullt hvis du ønsker å forfølge en karriere innen informatikk eller teknologi.
I denne artikkelen skal vi beskrive hva FPGA-programmering er, hvordan det fungerer og hvor det brukes, og dele ulike ressurser for å kaste mer lys over det.
Innholdsfortegnelse
FPGA programmering
En FPGA er en integrert krets (IC) med konfigurerbare logiske blokker og et utvalg av andre funksjoner som kan programmeres og omprogrammeres av brukeren.
Uttrykket «feltprogrammerbar» indikerer at FPGAens evner ikke er fastkoblet, men justerbare. Brukere kan dermed endre kretsens funksjoner når som helst for å møte deres spesifikke designintensjoner.
FPGA-programmering kan beskrives som prosessen med å lage databehandlingsløsninger ved hjelp av FPGA.
Programmereren må planlegge, designe og utføre portens arkitektur for å lage en funksjonell krets som møter brukernes behov. Sluttmålet med FPGA-programmering er å lage en maskinvarekrets som genererer spesifikk utgang når den slås på.
Kretskortene på en FPGA er designet for å etterligne oppførselen til virkelige kretser. Slike kretskort blir dermed mest brukt av kvalitetssikringsteamet for å teste nye produkter. Et FPGA-system vil ha ulike maskinvareelementer.
De logiske portene fungerer som FPGAs byggeklosser på basisnivå. De logiske portene utfører boolske operasjoner på inn- og utdata. Det er også rutingressurser som ruter signaler fra ett punkt til et annet.
Brukstilfeller av FPGA-programmering
FPGA-programmering har blitt veldig attraktivt for utviklere i den moderne verden.
Følgende er noen av brukstilfellene;
#1. Utforming av ASIC-er
Utviklere kan nå designe applikasjonsspesifikke integrerte kretser (ASIC). ASIC-er har blitt veldig populære i verden av Bitcoin-gruvedrift.
Utformingen av FPGA gjør det enkelt å rette feil. Det fine med en FPGA er at du kan bruke en som modell for andre prosjekter og dermed spare tid og ressurser i det lange løp.
#2. Sektor for fornybar energi
Fornybar energi fra vind og sol blir mer populær i en verden som står overfor utfordringen med global oppvarming. Transmisjons- og distribusjonsstasjoner (T&D) krever effektive kraftnett for at smartnettene skal fungere optimalt.
FPGA-er er svært nyttige for å forbedre skalerbarheten og ytelsen til smarte nett samtidig som de opprettholder lavt strømforbruk.
#3. Luftfart og forsvar
Noen ganger flyr fly gjennom tøffe omgivelser. Produksjonsbedrifter produserer dermed radharde og radtolerante FPGA-er som tilbyr mer pålitelighet, ytelse og livssykluskrav til ekstreme miljøer enn tradisjonelle ASIC-implementeringer.
#4. Serverapplikasjoner
Datasentre/servere har blitt en ting ettersom etterspørselen etter databehandlingshastighet øker for hver dag som går. Data må behandles i sanntid, selv under begrensede plass- og tidsbegrensninger.
FPGA, gjennom BRAM, kan tilby tilkobling til eksterne datalagringselementer, og akselerere databehandling på brikker.
Fordeler med FPGA-programmering
- FPGA-er kan rekonfigureres. Brukbarheten til FGPAer må vurderes. Du kan konfigurere en og rekonfigurere den til å brukes i en annen applikasjon.
- FGPA krever mindre manuell intervensjon. Programvaren håndterer ruting, timing og plasseringsoppgaver i et FGPA-miljø. Slike oppgaver kan være tidkrevende og komplekse hvis de håndteres manuelt.
- FPGA-er kommer som tomme lerreter. I motsetning til tradisjonelle ASIC-er med forhåndsdefinerte funksjoner, kan FPGA-er omprogrammeres for forskjellige brukstilfeller. En ingeniør kan dermed programmere et slikt system til forskjellige brukstilfeller ved hjelp av HDL-er (Hardware Design Language).
- Prototyping. ASIC-er er dyre å produsere, og en enkel feil kan være svært kostbar. Før du slipper ASIC-en din til markedet, er det viktig å sikre at systemet ditt er funksjonelt og oppfyller målene det er designet for. FPGA-er er omprogrammerbare, noe som betyr at du kan teste kjøringer til du får riktig design.
Hvordan programmere en FPGA
Designene som brukes til å kjøre FPGA-er er primært kodet i Hardware Description Languages (HDL) som SystemVerilog, Verilog og VHDL.
#1. Verilog
Verilog er ideell hvis du vil programmere FPGA-er innen noen få linjer med kode. Dette språket kan sammenlignes med C selv om det er designet for maskinvarearkitektur. Verilog ble opprettet for å gjøre HDL mer fleksibel og robust.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog ble opprettet som Verilogs utvidelse. Det er både et maskinvareverifiserings- og maskinvarebeskrivelsesspråk. Med dette språket kan du beskrive maskinvaremønstre, konvertere dem til digital kode og deretter laste dem opp til et FPGA-system for å utføre spesifiserte oppgaver.
#3. VHDL
VHDL er kortformen for Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Med VHDL kan du beskrive en FPGAs maskinvare, slik at brukerne kan modellere og simulere den før de koder den inn i den faktiske maskinvaren.
Programmering med VHDL gjør det enkelt å fastslå potensielle feil i kretsen som brukere kan fikse før endelig koding. VHDL lar brukere skrive sin strukturerte kode.
High-Level Synthesis (HLS), der designet gjøres i en undergruppe av C, og kompilatoren transformerer koden til Verilog-kode, er populær blant utviklere som ønsker å programmere FPGA-er.
Utviklere kan dermed bruke språkene de er fortrolige med til å designe FPGAer gjennom enhetlige programvareplattformer.
#4. Python
Dette flerbruksprogrammeringsspråket kan brukes til å programmere FPGA-er. For å oppnå dette bruker Python PYNQ, et åpen kildekodeprosjekt som gjør det enkelt å jobbe med AMD-plattformer.
#5. C og C++
C-baserte språk er ideelle for FPGA-design på grunn av høynivåsyntesen (HLS). AMD Vivado™ HLS-kompilatoren tilbyr et programmeringsmiljø som deler nøkkelteknologier med spesialiserte og standard prosessorer, som optimerer C-baserte programmer.
#6. AI-plattformer som TensorFlow og PyTorch
Ingeniører bruker trente dyplæringsmodeller fra Pytorch eller Tensorflow for å kompilere for FPGA-akselerasjon. En slik tilnærming eliminerer behovet for maskinvareprogrammering på lavt nivå samtidig som den oppnår lynrask kompilering.
Kode skrevet på vanlige programmeringsspråk, som Python, C eller C++, syntetiseres og konverteres til proprietære sammenkoblingsbeskrivelser gjennom synteseverktøy.
Den resulterende filen som inneholder sammenkoblingsbeskrivelsen er kjent som bitstrømmen. En bitstrøm beskriver hvordan man konfigurerer en FPGA (hvordan man kobler flip-flops, porter og forskjellige digitale kretselementer via sammenkoblingsmatrisen til FPGA).
FPGA-er har en innebygd konfigurasjon som leser bitstrømfilen og konfigurerer FPGA deretter. Konfigurasjonskretsen kan lese bitstrømfilen gjennom ulike tilnærminger, for eksempel Parallell Flash Memory, JTAG og Serial Flash Memory.
FPGA-kortprodusenter leverer programvare/instruksjoner som utviklere bruker for å konfigurere/programmere systemene.
De fleste FPGA-systemer kan omprogrammeres så mange ganger som mulig. Den eneste begrensningen er når slike systemer er skadet av forhold som ikke er spesifisert, som slitasje, temperatur eller høy spenning.
Du kan lære mer om FPGA-programmering gjennom disse læringsressursene
Læringsressurser
#1. FPGA-programmering for nybegynnere
Denne boken introduserer deg til verden av FPGA-programmering ved hjelp av SystemVerilog. Undervisningstilnærmingen er prosjektbasert, hvor du utvikler virkelige applikasjoner som et tastatur og en kalkulator.
Boken introduserer FPGA-arkitekturen før den utforsker hvordan man skriver SystemVerilog RTL. Denne boken introduserer deg også til grunnleggende datamatte, pipelining og parallellisme. Boken kommer også inn på avanserte emner som AXI og tastaturgrensesnitt med PS/2.
Denne boken er ideell for programmerere, ingeniører og utviklere av innebygde system som ønsker å lære FPGA og SystemVerilog programmering. Denne ressursen er også egnet for FPGA-designere som tørster etter praktisk erfaring med å lage virkelige prosjekter.
#2. FPGA-er for programvareprogrammerere
Denne boken introduserer programvareingeniører til en verden av FPGA-er og rekonfigurerbar teknologi. Boken starter med å introdusere FPGA og dens programmeringsmodell. Dette er også boken du kan bruke hvis du vil lære hvordan FPGA-er implementerer ulike applikasjoner uten lavnivå-hardwaredesignprosesser.
Boken gir en realistisk følelse av problemer som passer FPGAer og hvordan man implementerer løsninger fra en programvareingeniørs synspunkt. Den brukerorienterte tilnærmingen i denne boken gjør det enkelt å forstå hvor FPGA-teknologi er anvendelig og hvordan. Målleserne av denne boken er programvaredesignere og FPGA-designingeniører.
#3. Begynnende FPGA: Programmering av metall
Denne boken lærer leserne hvordan de bruker BeMicro MAX 10 til å bygge en temperatursensor, bevegelsessensor, temperatursensor og KITT-bilskjerm fra Knight Rider. Boken er nybegynnervennlig og passer for de uten programmeringskunnskaper eller elektronikkingeniørutdanning.
Boken introduserer FPGA-er og forklarer forskjellene deres fra mikrokontrollere eller ASIC-er. Det er også ressursen for å introdusere deg til hvordan du setter opp en verktøykjede og bruker VHDL til å programmere FPGA. Boken er ideell for elektronikk- og Raspberry Pi-entusiaster som ønsker en praktisk introduksjon til FPGA-verdenen.
#4. Programmere FPGAer: Komme i gang med Verilog
Denne boken er perfekt hvis du aldri har samhandlet med Verilog og FPGAer. Hvis FPGA-programmering er et nytt begrep for deg, er dette et godt sted å komme i gang. De typiske prøvene, som tellere og 7-segments skjermer, vil få elevene på rett fot.
Boken introduserer elever til Verilog og tilbyr ulike mellomliggende eksempler som VGA. Denne ressursen er kanskje ikke ideell hvis du allerede har kunnskap om Verilog og FPGA. Denne boken er tilgjengelig i Kindle- og Paperback-versjoner.
Konklusjon
FPGA-er kan til tider yte bedre enn GPU-er i dyplæringsapplikasjoner med lav ventetid. FPGA-programmering er en viktig ferdighet ettersom FPGA kan brukes i forbrukerelektronikk, industriell automasjon og militære applikasjoner, blant mange andre applikasjoner. FPGA-er er fortsatt i utvikling, og vi kan bare vente med å se dem finjustert for flere brukstilfeller og bedre ytelse.