Между аппаратным и программным обеспечением очень тонкая грань. Когда вы создаете оборудование для таких гаджетов, как компьютеры, вам нужно убедиться, что оно работает и выполняет код.
Программируемая вентильная матрица (FPGA) — это форма аппаратной архитектуры, которая позволяет пользователям настраивать схемы из любого места в любое время.
Изучение того, как работает программирование FPGA, будет полезно, если вы хотите продолжить карьеру в области компьютерных наук или технологий.
В этой статье мы расскажем, что такое программирование ПЛИС, как оно работает и где применяется, а также поделимся различными ресурсами, чтобы пролить на него больше света.
Содержание
Программирование ПЛИС
FPGA — это интегральная схема (ИС) с настраиваемыми логическими блоками и рядом других программируемых и перепрограммируемых пользователем функций.
Термин «программируемый пользователем» указывает на то, что возможности ПЛИС не запрограммированы жестко, а настраиваются. Таким образом, пользователи могут изменять функции схемы в любое время в соответствии со своими конкретными проектными замыслами.
Программирование FPGA можно описать как процесс создания компьютерных решений с использованием FPGA.
Программист должен спланировать, спроектировать и реализовать архитектуру вентиля, чтобы создать функциональную схему, отвечающую потребностям пользователя. Конечной целью программирования ПЛИС является создание аппаратной схемы, которая при включении генерирует определенный вывод.
Платы FPGA предназначены для имитации поведения реальных схем. Поэтому команда обеспечения качества в основном использует такие платы для тестирования новых продуктов. Система FPGA будет иметь разные аппаратные элементы.
Логические вентили выступают в качестве основных строительных блоков FPGA. Логические элементы выполняют логические операции над входными и выходными данными. Существуют также ресурсы маршрутизации, которые направляют сигналы из одной точки в другую.
Варианты использования программирования FPGA
Программирование FPGA стало очень привлекательным для программистов в современном мире.
Ниже приведены некоторые варианты использования;
№1. Проектирование ASIC
Теперь разработчики могут проектировать специализированные интегральные схемы (ASIC). ASIC стали очень популярными в мире майнинга биткойнов.
Конструкция FPGA упрощает отладку. Прелесть FPGA в том, что вы можете использовать ее в качестве модели для других проектов, экономя время и ресурсы в долгосрочной перспективе.
№ 2. Сектор возобновляемых источников энергии
Возобновляемая энергия ветра и солнца становится все более популярной в мире, сталкивающемся с проблемой глобального потепления. Подстанции передачи и распределения (T&D) требуют эффективных энергетических сетей для оптимальной работы интеллектуальных сетей.
FPGA очень полезны для улучшения масштабируемости и производительности интеллектуальных сетей при сохранении низкого энергопотребления.
№3. Авиация и оборона
Самолеты иногда летают в сложных условиях. Таким образом, компании-производители производят стойкие к радиации и устойчивые к радиации FPGA, которые предлагают более высокие требования к надежности, производительности и жизненному циклу в экстремальных условиях, чем традиционные реализации ASIC.
№ 4. Серверные приложения
Центры обработки данных/серверы стали популярными, потому что потребность в скорости обработки данных растет с каждым днем. Данные должны обрабатываться в режиме реального времени, даже в условиях ограниченного пространства и времени.
FPGA через BRAM могут обеспечивать подключение к внешним элементам хранения данных, ускоряя обработку данных на кристалле.
Преимущества программирования FPGA
- FPGA можно переконфигурировать. Необходимо учитывать удобство использования FGPA. Вы можете настроить один и перенастроить его для использования в другом приложении.
- FGPA требует меньше ручного вмешательства. Программное обеспечение обрабатывает задачи маршрутизации, синхронизации и размещения в среде FGPA. Такие задачи могут занимать много времени и быть сложными, если выполнять их вручную.
- ПЛИС представляют собой чистые холсты. В отличие от традиционных ASIC с предопределенными функциями, FPGA можно перепрограммировать для различных вариантов использования. Таким образом, инженер может запрограммировать такую систему для различных вариантов использования, используя HDL (язык проектирования аппаратного обеспечения).
- Прототипирование. ASIC дороги в производстве, а простая ошибка может стоить очень дорого. Перед выпуском ASIC на рынок важно убедиться, что ваша система функциональна и соответствует целям, для которых она была разработана. FPGA можно перепрограммировать, что означает, что вы можете тестировать работу, пока не получите правильный дизайн.
Как запрограммировать ПЛИС
Конструкции, используемые для управления FPGA, в основном закодированы на языках описания оборудования (HDL), таких как SystemVerilog, Verilog и VHDL.
№1. Верилог
Verilog идеален, если вы хотите запрограммировать FPGA с помощью нескольких строк кода. Этот язык сравним с C, хотя он предназначен для аппаратной архитектуры. Verilog был создан, чтобы сделать HDL более гибким и надежным.
№ 2. Система Верилог
SystemVerilog был создан как расширение Verilog. Это и проверка оборудования, и язык описания оборудования. С помощью этого языка вы можете описывать аппаратные шаблоны, преобразовывать их в цифровой код, а затем загружать в систему FPGA для выполнения определенных задач.
№3. VHDL
VHDL — это краткая форма языка описания оборудования для очень высокоскоростных интегральных схем. С помощью VHDL вы можете описать аппаратное обеспечение FPGA, позволяя пользователям моделировать и имитировать его, прежде чем кодировать его в реальном оборудовании.
Программирование с помощью VHDL позволяет легко выявлять потенциальные ошибки схемы, которые пользователи могут исправить перед окончательным кодированием. VHDL позволяет пользователям писать собственный структурированный код.
Синтез высокого уровня (HLS), при котором проектирование выполняется на подмножестве C, а компилятор преобразует код в код Verilog, популярен среди разработчиков, которые хотят программировать FPGA.
Таким образом, разработчики могут использовать знакомые языки для проектирования FPGA через унифицированные программные платформы.
№ 4. питон
Этот многоцелевой язык программирования можно использовать для программирования ПЛИС. Для этого Python использует PINK, проект с открытым исходным кодом, упрощающий работу с платформами AMD.
№ 5. С и С++
Языки на основе C идеально подходят для проектирования FPGA из-за высокоуровневого синтеза (HLS). Компилятор AMD Vivado™ HLS предлагает среду программирования, в которой ключевые технологии используются совместно со специализированными и стандартными процессорами, что позволяет оптимизировать программы на языке C.
№ 6. Платформы искусственного интеллекта, такие как TensorFlow и PiTorch
Инженеры используют обученные модели глубокого обучения от Pitorch или Tensorflow для компиляции для ускорения FPGA. Такой подход устраняет необходимость низкоуровневого аппаратного программирования, обеспечивая при этом невероятно быструю компиляцию.
Код, написанный на обычных языках программирования, таких как Python, C или C++, синтезируется и преобразуется в проприетарные описания взаимосвязей с помощью инструментов синтеза.
Результирующий файл, содержащий описание соединения, известен как битовый поток. Bitstream описывает, как настроить FPGA (как подключить триггеры, вентили и различные элементы цифровых схем через матрицу межсоединений FPGA).
FPGA имеют встроенную конфигурацию, которая считывает файл битового потока и соответствующим образом настраивает FPGA. Схема конфигурации может считывать файл битового потока с помощью различных подходов, таких как параллельная флэш-память, JTAG и последовательная флэш-память.
Производители плат FPGA предоставляют программное обеспечение/инструкции, которые программисты используют для настройки/программирования системы.
Большинство систем FPGA можно перепрограммировать столько раз, сколько возможно. Единственным ограничением является то, что такие системы повреждены из-за несоответствующих требованиям условий, таких как износ, температура или высокое напряжение.
Вы можете узнать больше о программировании FPGA с помощью этих учебных ресурсов
Образовательные ресурсы
№1. Программирование ПЛИС для начинающих
Эта книга познакомит вас с миром программирования FPGA с использованием SystemVerilog. Подход к обучению основан на проектах, когда вы разрабатываете реальные приложения, такие как клавиатура и калькулятор.
Книга знакомит с архитектурой FPGA, прежде чем изучать, как писать SystemVerilog RTL. Эта книга также знакомит вас с основами вычислительной математики, конвейерной обработки и параллелизма. Книга также затрагивает сложные темы, такие как AXIS и подключение клавиатуры к PS/2.
Эта книга идеально подходит для программистов, инженеров и разработчиков встраиваемых систем, которые хотят изучить программирование FPGA и SystemVerilog. Этот ресурс также подходит для разработчиков ПЛИС, которым нужен практический опыт создания реальных проектов.
№ 2. ПЛИС для разработчиков программного обеспечения
Эта книга знакомит инженеров-программистов с миром ПЛИС и реконфигурируемых технологий. Книга начинается с введения в ПЛИС и модель ее программирования. Эту книгу также можно использовать, если вы хотите узнать, как FPGA реализуют различные приложения без низкоуровневого процесса проектирования аппаратного обеспечения.
Книга дает реалистичное представление о проблемах, которые подходят для FPGA, и о том, как реализовать решения с точки зрения инженера-программиста. Ориентированный на пользователя подход в этой книге позволяет легко понять, где и как применима технология FPGA. Целевой аудиторией этой книги являются разработчики программного обеспечения и разработчики ПЛИС.
№3. Начало работы с ПЛИС: программирование металлов
Эта книга учит читателей, как использовать BeMicro MAKS 10 для создания датчика температуры, датчика движения, датчика температуры и дисплея KITT для Knight Rider. Книга предназначена для начинающих и подходит для тех, у кого нет навыков программирования или степени инженера-электронщика.
Книга знакомит с FPGA и объясняет их отличия от микроконтроллеров или ASIC. Это также ресурс, который познакомит вас с тем, как настроить набор инструментов и использовать VHDL для программирования FPGA. Книга идеально подходит для любителей электроники и Raspberry Pi, которые хотят получить практическое представление о мире FPGA.
№ 4. Программирование FPGA: начало работы с Verilog
Эта книга идеальна, если вы никогда не взаимодействовали с Verilog и FPGA. Если программирование ПЛИС для вас новичок, это хорошее место для начала. Типичные шаблоны, такие как счетчики и 7-сегментные дисплеи, помогут учащимся встать на ноги.
Книга знакомит учащихся с Verilog и предлагает различные промежуточные примеры, такие как VGA. Этот ресурс может оказаться не идеальным, если у вас уже есть знания Verilog и FPGA. Книга доступна в версиях для Kindle и в мягкой обложке.
Заключение
FPGA иногда могут превосходить графические процессоры в приложениях глубокого обучения с малой задержкой. Программирование FPGA является важным навыком, поскольку FPGA можно использовать в бытовой электронике, промышленной автоматизации и военных приложениях, а также во многих других приложениях. FPGA все еще развиваются, и нам остается только ждать, когда они будут настроены для большего количества вариантов использования и повышения производительности.
