Hur fungerar FPGA-programmering?

av

Det finns en mycket tunn gräns mellan hårdvara och mjukvara. När du skapar hårdvara för prylar som datorer måste du se till att den körs och exekverar kod.

Field Programmable Gate Array (FPGA) är en maskinvaruarkitekturform som tillåter användare att anpassa kretsar från vilken plats som helst och när som helst.

Att lära sig om hur FPGA-programmering fungerar kommer att vara värdefullt om du vill göra en karriär inom datavetenskap eller teknik.

I den här artikeln ska vi beskriva vad FPGA-programmering är, hur det fungerar och var det används, och dela olika resurser för att belysa det mer.

FPGA-programmering

En FPGA är en integrerad krets (IC) med konfigurerbara logikblock och ett urval av andra funktioner som kan programmeras och omprogrammeras av användaren.

Frasen ”fältprogrammerbar” indikerar att FPGA:s förmågor inte är fastanslutna utan justerbara. Användare kan alltså modifiera kretsens funktioner när som helst för att möta deras specifika designavsikter.

FPGA-programmering kan beskrivas som processen att skapa datorlösningar med hjälp av FPGA.

Programmeraren måste planera, designa och utföra grindarnas arkitektur för att skapa en funktionell krets som möter användarnas behov. Slutmålet med FPGA-programmering är att skapa en hårdvarukrets som genererar specifik utdata när den slås på.

Kretskorten på en FPGA är designade för att efterlikna beteendet hos verkliga kretsar. Sådana kretskort används därför mest av kvalitetssäkringsteamet för att testa nya produkter. Ett FPGA-system kommer att ha olika hårdvaruelement.

De logiska grindarna fungerar som FPGA:s byggstenar på grundnivå. De logiska grindarna utför booleska operationer på in- och utdata. Det finns också routingresurser som dirigerar signaler från en punkt till en annan.

Användningsfall av FPGA-programmering

FPGA-programmering har blivit mycket attraktivt för utvecklare i den moderna världen.

Följande är några av användningsfallen;

#1. Designa ASICs

Utvecklare kan nu designa applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC). ASICs har blivit mycket populära i världen av Bitcoin-gruvor.

Utformningen av FPGA gör det enkelt att rätta till fel. Det fina med en FPGA är att du kan använda en som modell för andra projekt och på så sätt spara tid och resurser i det långa loppet.

#2. Sektorn för förnybar energi

Förnybar energi från vind och sol blir mer populär i en värld som står inför utmaningen med global uppvärmning. Transmissions- och distributionsstationer (T&D) kräver effektiva kraftnät för att de smarta näten ska fungera optimalt.

FPGA:er är mycket användbara för att förbättra skalbarheten och prestandan för smarta nät samtidigt som de bibehåller låg strömförbrukning.

#3. Flyg och försvar

Plan flyger ibland genom tuffa miljöer. Tillverkningsföretag producerar alltså radhårda och radtoleranta FPGA:er som erbjuder mer tillförlitlighet, prestanda och livscykelkrav för extrema miljöer än traditionella ASIC-implementeringar.

#4. Serverapplikationer

Datacenter/servrar har blivit en grej då efterfrågan på databehandlingshastighet ökar för varje dag som går. Data måste behandlas i realtid, även under begränsade utrymmes- och tidsbegränsningar.

FPGA, genom BRAM, kan erbjuda anslutning till externa datalagringselement, vilket påskyndar databehandling på chips.

Fördelar med FPGA-programmering

  • FPGA:er är omkonfigurerbara. Användbarheten av FGPA måste beaktas. Du kan konfigurera en och konfigurera om den för att användas i en annan applikation.
  • FGPA kräver mindre manuella ingrepp. Programvaran hanterar routing-, timing- och placeringsuppgifter i en FGPA-miljö. Sådana uppgifter kan vara tidskrävande och komplexa om de hanteras manuellt.
  • FPGA:er kommer som tomma dukar. Till skillnad från traditionella ASIC:er med fördefinierade funktioner kan FPGA:er omprogrammeras för olika användningsfall. En ingenjör kan alltså programmera ett sådant system till olika användningsfall med hjälp av HDL (Hardware Design Language).
  • Prototypframställning. ASIC:er är dyra att tillverka, och ett enkelt misstag kan bli mycket dyrt. Innan du släpper din ASIC på marknaden är det viktigt att se till att ditt system är funktionellt och uppfyller de mål det är designat för. FPGA:er är omprogrammerbara, vilket innebär att du kan testköra tills du får rätt design.

Hur man programmerar en FPGA

Designen som används för att köra FPGA är primärt kodade i Hardware Description Languages ​​(HDL) som SystemVerilog, Verilog och VHDL.

#1. Verilog

Verilog är idealiskt om du vill programmera FPGA:er inom några rader kod. Detta språk är jämförbart med C även om det är designat för hårdvaruarkitektur. Verilog skapades för att göra HDL mer flexibel och robust.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog skapades som Verilogs tillägg. Det är både ett hårdvaruverifierings- och hårdvarubeskrivningsspråk. Med det här språket kan du beskriva hårdvarumönster, konvertera dem till digital kod och sedan ladda upp dem till ett FPGA-system för att utföra specificerade uppgifter.

#3. VHDL

VHDL är kortformen för Very High-Speed ​​Integrated Circuit Hardware Description Language. Med VHDL kan du beskriva en FPGA:s hårdvara, så att användare kan modellera och simulera den innan de kodar in den i den faktiska hårdvaran.

Programmering med VHDL gör det enkelt att fastställa potentiella fel i kretsen som användare kan fixa innan den slutliga kodningen. VHDL tillåter användare att skriva sin strukturerade kod.

High-Level Synthesis (HLS), där designen görs i en delmängd av C, och kompilatorn omvandlar koden till Verilog-kod, är populärt bland utvecklare som vill programmera FPGA.

Utvecklare kan alltså använda de språk de är bekanta med för att designa FPGA:er genom enhetliga mjukvaruplattformar.

#4. Pytonorm

Detta mångsidiga programmeringsspråk kan användas för att programmera FPGA:er. För att uppnå detta använder Python PYNQ, ett projekt med öppen källkod som gör det enkelt att arbeta med AMD-plattformar.

#5. C och C++

C-baserade språk är idealiska för FPGA-design på grund av högnivåsyntesen (HLS). AMD Vivado™ HLS-kompilatorn erbjuder en programmeringsmiljö som delar nyckelteknologier med specialiserade och standardprocessorer, vilket optimerar C-baserade program.

#6. AI-plattformar som TensorFlow och PyTorch

Ingenjörer använder utbildade djupinlärningsmodeller från Pytorch eller Tensorflow för att kompilera för FPGA-acceleration. Ett sådant tillvägagångssätt eliminerar behovet av hårdvaruprogrammering på låg nivå samtidigt som man uppnår blixtrande snabb kompilering.

Kod skriven på vanliga programmeringsspråk, som Python, C eller C++, syntetiseras och omvandlas till proprietära sammankopplingsbeskrivningar genom syntesverktyg.

Den resulterande filen som innehåller sammankopplingsbeskrivningen kallas bitströmmen. En bitström beskriver hur man konfigurerar en FPGA (hur man ansluter vippor, grindar och olika digitala kretselement via FPGA:ns sammankopplingsmatris).

FPGA:er har en inbyggd konfiguration som läser bitströmsfilen och konfigurerar FPGA. Konfigurationskretsen kan läsa bitströmsfilen genom olika tillvägagångssätt, såsom parallellt flashminne, JTAG och seriellt flashminne.

Tillverkare av FPGA-kort tillhandahåller programvara/instruktioner som utvecklare använder för att konfigurera/programmera systemen.

De flesta FPGA-system kan programmeras om så många gånger som möjligt. Den enda begränsningen är när sådana system skadas av ospecifika förhållanden som slitage, temperatur eller hög spänning.

Du kan lära dig mer om FPGA-programmering genom dessa lärresurser

Lärresurser

#1. FPGA-programmering för nybörjare

Den här boken introducerar dig till världen av FPGA-programmering med SystemVerilog. Undervisningsupplägget är projektbaserat, där du utvecklar verkliga applikationer som ett tangentbord och en miniräknare.

Boken introducerar FPGA-arkitekturen innan den utforskar hur man skriver SystemVerilog RTL. Den här boken introducerar dig också till grunderna i datormatte, pipelining och parallellism. Boken berör även avancerade ämnen som AXI och tangentbordsgränssnitt med PS/2.

Den här boken är idealisk för programmerare, ingenjörer och utvecklare av inbyggda system som vill lära sig FPGA- och SystemVerilog-programmering. Denna resurs är också lämplig för FPGA-designers som törstar efter praktisk erfarenhet av att skapa verkliga projekt.

#2. FPGA:er för programvaruprogrammerare

Den här boken introducerar mjukvaruingenjörer till en värld av FPGA:er och omkonfigurerbar teknik. Boken börjar med att introducera FPGA och dess programmeringsmodell. Det här är också boken att använda om du vill lära dig hur FPGA:er implementerar olika applikationer utan hårdvarudesignprocesser på låg nivå.

Boken ger en realistisk känsla av problem som passar FPGA:er och hur man implementerar lösningar ur en mjukvaruingenjörs synvinkel. Det användarorienterade tillvägagångssättet i den här boken gör det enkelt att förstå var FPGA-tekniken är tillämplig och hur. Målläsarna av den här boken är mjukvarudesigners och FPGA-designingenjörer.

#3. Börjande FPGA: Programmering Metal

Den här boken lär läsarna hur man använder BeMicro MAX 10 för att bygga en temperatursensor, rörelsesensor, temperatursensor och KITT-bildisplay från Knight Rider. Boken är nybörjarvänlig och passar dig utan programmeringskunskaper eller elektronikingenjörsexamen.

Boken introducerar FPGA:er och förklarar deras skillnader från mikrokontroller eller ASIC:er. Det är också resursen för att introducera dig till hur du konfigurerar en verktygskedja och använder VHDL för att programmera FPGA. Boken är idealisk för elektronik- och Raspberry Pi-entusiaster som vill ha en praktisk introduktion till FPGA-världen.

#4. Programmera FPGA:er: Komma igång med Verilog

Den här boken är perfekt om du aldrig har interagerat med Verilog och FPGA. Om FPGA-programmering är ett nytt begrepp för dig är det här ett bra ställe att komma igång. De typiska proverna, såsom räknare och 7-segmentsdisplayer, kommer att få eleverna på höger fot.

Boken introducerar eleverna till Verilog och erbjuder olika mellanliggande exempel som VGA. Den här resursen kanske inte är idealisk om du redan har kunskap om Verilog och FPGA. Den här boken finns i Kindle- och Paperback-versioner.

Slutsats

FPGA:er kan ibland prestera bättre än GPU:er i applikationer för djupinlärning med låg latens. FPGA-programmering är en viktig färdighet eftersom FPGA kan användas i hemelektronik, industriell automation och militära applikationer, bland många andra applikationer. FPGA:er utvecklas fortfarande, och vi kan bara vänta på att se dem finjusterade för fler användningsfall och bättre prestanda.