Granica między hardwarem a softwarem bywa zaskakująco subtelna. Podczas projektowania sprzętu dla urządzeń takich jak komputery, kluczowe jest zapewnienie jego prawidłowego działania i zdolności do wykonywania kodu.
Układy FPGA (Field Programmable Gate Array) to specyficzna architektura sprzętowa, która umożliwia użytkownikom modyfikację obwodów w dowolnym miejscu i czasie.
Zrozumienie zasad programowania FPGA to wartościowa umiejętność, szczególnie jeśli planujesz rozwijać karierę w obszarze informatyki lub technologii.
W niniejszym artykule omówimy, czym jest programowanie FPGA, jak ono funkcjonuje, gdzie znajduje zastosowanie i udostępnimy dodatkowe materiały, które mogą rzucić więcej światła na ten temat.
Programowanie układów FPGA
FPGA to układ scalony zawierający konfigurowalne bloki logiczne i inne elementy, które użytkownik może programować i przeprogramowywać.
Określenie „programowalne w terenie” oznacza, że możliwości FPGA nie są ustalone na stałe, ale mogą być zmieniane. Dzięki temu użytkownicy mogą dostosowywać funkcje obwodu w dowolnym momencie, realizując konkretne cele projektowe.
Programowanie FPGA można zdefiniować jako proces tworzenia rozwiązań obliczeniowych z wykorzystaniem układów FPGA.
Programista musi zaplanować, zaprojektować i zaimplementować architekturę bramek, aby utworzyć funkcjonalny obwód, który spełni potrzeby użytkowników. Ostatecznym celem programowania FPGA jest stworzenie obwodu, który po uruchomieniu generuje oczekiwane dane wyjściowe.
Płytki drukowane w FPGA są projektowane tak, aby symulować działanie obwodów w rzeczywistym świecie. Dlatego często są wykorzystywane przez zespoły kontroli jakości do testowania nowych produktów. System FPGA składa się z różnych elementów sprzętowych.
Bramki logiczne działają jako podstawowe elementy składowe FPGA. Wykonują operacje logiczne na danych wejściowych i wyjściowych. Dodatkowo, istnieją zasoby routingu, które przekierowują sygnały między różnymi punktami.
Zastosowania programowania FPGA
Programowanie FPGA zyskuje na popularności wśród programistów w dzisiejszych czasach.
Poniżej przedstawiamy kilka przykładów zastosowań:
# 1. Projektowanie układów ASIC
Programiści mogą projektować specjalizowane układy scalone (ASIC). Układy ASIC zyskały na popularności, szczególnie w kontekście wydobywania kryptowalut.
Konstrukcja FPGA ułatwia eliminację błędów. Zaleta FPGA polega na tym, że może służyć jako model dla innych projektów, co oszczędza czas i zasoby w dłuższej perspektywie.
#2. Sektor energii odnawialnej
Energia odnawialna, pochodząca z wiatru i słońca, zyskuje na znaczeniu w obliczu problemu globalnego ocieplenia. Podstacje przesyłowe i dystrybucyjne wymagają wydajnych sieci, aby inteligentne sieci działały optymalnie.
Układy FPGA są szczególnie przydatne do poprawy skalowalności i wydajności inteligentnych sieci, przy jednoczesnym utrzymaniu niskiego zużycia energii.
#3. Lotnictwo i obrona
Samoloty często operują w trudnych warunkach. Dlatego firmy produkcyjne wytwarzają układy FPGA odporne na promieniowanie, zapewniające większą niezawodność, wydajność oraz długi cykl życia, szczególnie w ekstremalnych środowiskach. Są one lepsze od tradycyjnych rozwiązań ASIC.
#4. Zastosowania serwerowe
Centra danych stały się nieodłącznym elementem nowoczesnej infrastruktury, w miarę jak zapotrzebowanie na szybkość przetwarzania danych rośnie z dnia na dzień. Dane muszą być przetwarzane w czasie rzeczywistym, nawet w sytuacjach ograniczonej przestrzeni i czasu.
FPGA, dzięki pamięci BRAM, może oferować szybkie połączenie z zewnętrznymi elementami przechowywania danych, przyspieszając przetwarzanie danych na chipie.
Zalety programowania FPGA
- Elastyczność konfiguracji. Układy FPGA charakteryzują się możliwością rekonfiguracji. Możesz skonfigurować jeden układ i następnie go przeprogramować do zupełnie innego zastosowania.
- Automatyzacja. Programowanie FPGA wymaga minimalnej ręcznej interwencji. Oprogramowanie samo obsługuje zadania związane z trasowaniem, synchronizacją i rozmieszczaniem elementów. Takie zadania byłyby bardzo czasochłonne i skomplikowane, gdyby były wykonywane ręcznie.
- Wszechstronność. Układy FPGA są niczym nieograniczone płótna. W przeciwieństwie do tradycyjnych układów ASIC, które mają predefiniowane funkcje, układy FPGA można przeprogramować do różnych celów. Inżynier może zaprogramować taki system do wielu zastosowań, używając języka HDL (Hardware Design Language).
- Prototypowanie. Produkcja układów ASIC jest kosztowna, a prosty błąd może wiązać się z dużymi stratami. Przed wprowadzeniem ASIC na rynek, należy upewnić się, że system działa poprawnie i spełnia założone cele. Układy FPGA można przeprogramowywać, co umożliwia testowanie różnych konfiguracji, aż do uzyskania odpowiedniego projektu.
Jak zaprogramować układ FPGA
Projekty, które uruchamiają układy FPGA, są najczęściej kodowane w językach opisu sprzętu (HDL), takich jak SystemVerilog, Verilog i VHDL.
# 1. Verilog
Verilog jest dobrym wyborem, jeśli chcesz zaprogramować układy FPGA przy użyciu kilku linii kodu. Ten język, choć przeznaczony dla architektury sprzętowej, jest porównywalny z językiem C. Verilog został stworzony, aby zwiększyć elastyczność i niezawodność języków HDL.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog to rozszerzenie języka Verilog. Jest to zarówno język weryfikacji sprzętu, jak i język opisu sprzętu. Za pomocą tego języka można opisywać modele sprzętowe, przekształcać je w kod cyfrowy, a następnie przesyłać do systemu FPGA w celu realizacji określonych zadań.
#3. VHDL
VHDL to skrót od Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Za pomocą VHDL możesz opisać sprzęt FPGA, umożliwiając modelowanie i symulowanie jego działania przed zakodowaniem w rzeczywistym układzie.
Programowanie z wykorzystaniem VHDL ułatwia identyfikację potencjalnych błędów w obwodzie, które użytkownicy mogą poprawić przed ostatecznym kodowaniem. VHDL umożliwia tworzenie kodu strukturalnego.
Synteza wysokiego poziomu (HLS), w której projekt jest realizowany w podzbiorze języka C, a kompilator przekształca kod na Verilog, jest popularna wśród programistów, którzy chcą programować układy FPGA.
Programiści mogą zatem używać znanych im języków do projektowania układów FPGA, korzystając z ujednoliconych platform oprogramowania.
#4. Python
Ten uniwersalny język programowania może być również używany do programowania układów FPGA. W tym celu Python wykorzystuje PYNQ, projekt open source, który ułatwia pracę z platformami AMD.
#5. C i C++
Języki C i C++ są idealne do projektowania FPGA, dzięki syntezie wysokiego poziomu (HLS). Kompilator AMD Vivado™ HLS oferuje środowisko programistyczne, które dzieli kluczowe technologie z wyspecjalizowanymi i standardowymi procesorami, optymalizując programy oparte na C.
#6. Platformy sztucznej inteligencji, takie jak TensorFlow i PyTorch
Inżynierowie korzystają z wytrenowanych modeli głębokiego uczenia się z PyTorch lub TensorFlow, aby kompilować kod pod kątem akceleracji FPGA. Takie podejście eliminuje potrzebę niskopoziomowego programowania sprzętu, jednocześnie zapewniając bardzo szybką kompilację.
Kod napisany w popularnych językach programowania, takich jak Python, C lub C++, jest syntetyzowany i konwertowany na specyficzne opisy połączeń za pomocą narzędzi do syntezy.
Plik wynikowy zawierający opis połączeń nazywany jest strumieniem bitów. Strumień bitów określa, jak skonfigurować FPGA (jak połączyć przerzutniki, bramki i inne elementy cyfrowego obwodu za pomocą matrycy połączeń FPGA).
Układy FPGA mają wbudowany mechanizm konfiguracji, który odczytuje plik strumienia bitów i odpowiednio konfiguruje układ. Obwód konfiguracyjny może odczytywać plik strumienia bitów z różnych źródeł, takich jak równoległa pamięć Flash, JTAG i szeregowa pamięć Flash.
Producenci płytek FPGA dostarczają oprogramowanie i instrukcje, które programiści wykorzystują do konfigurowania i programowania systemów.
Większość systemów FPGA można przeprogramować wiele razy. Ograniczeniem są sytuacje, w których systemy ulegną uszkodzeniu w warunkach niezgodnych ze specyfikacją, takich jak zużycie, temperatura lub wysokie napięcie.
Więcej informacji o programowaniu FPGA można znaleźć w poniższych materiałach edukacyjnych:
Materiały edukacyjne
# 1. Programowanie FPGA dla początkujących
Ta książka wprowadzi Cię w świat programowania FPGA z wykorzystaniem SystemVerilog. Metodyka nauczania opiera się na projektach, w których tworzysz praktyczne aplikacje, takie jak klawiatura i kalkulator.
Książka omawia architekturę FPGA, a następnie pokazuje, jak pisać kod SystemVerilog RTL. Zawiera również wprowadzenie do podstaw matematyki komputerowej, przetwarzania potokowego i równoległości. Książka porusza również zaawansowane tematy, takie jak interfejs AXI i klawiatury PS/2.
Ta książka jest idealna dla programistów, inżynierów i programistów systemów wbudowanych, którzy chcą nauczyć się programowania FPGA i SystemVerilog. Jest również odpowiednia dla projektantów FPGA, którzy chcą zdobyć praktyczne doświadczenie w tworzeniu rzeczywistych projektów.
#2. Układy FPGA dla programistów
Ta książka wprowadza inżynierów oprogramowania w świat układów FPGA i technologii rekonfigurowalnych. Zaczyna się od omówienia układów FPGA i ich modelu programowania. Jest to również dobra książka, jeśli chcesz dowiedzieć się, jak układy FPGA implementują różne aplikacje bez niskopoziomowych procesów projektowania sprzętu.
Książka daje realistyczny pogląd na problemy, które można rozwiązać za pomocą FPGA oraz sposób ich implementacji z perspektywy inżyniera oprogramowania. Podejście zorientowane na użytkownika ułatwia zrozumienie, gdzie technologia FPGA znajduje zastosowanie i jak z niej korzystać. Docelowymi czytelnikami tej książki są projektanci oprogramowania i inżynierowie projektujący układy FPGA.
#3. Początki z FPGA: programowanie „na metalu”
Ta książka uczy, jak używać BeMicro MAX 10 do budowy czujnika temperatury, czujnika ruchu, czujnika temperatury i wyświetlacza samochodowego KITT z serialu Knight Rider. Książka jest przyjazna dla początkujących i jest odpowiednia dla osób bez doświadczenia w programowaniu lub wykształcenia w zakresie elektroniki.
Książka wprowadza układy FPGA i wyjaśnia różnice między nimi a mikrokontrolerami lub układami ASIC. Jest to również źródło informacji o tym, jak skonfigurować zestaw narzędzi i używać języka VHDL do programowania układu FPGA. Książka jest idealna dla pasjonatów elektroniki i Raspberry Pi, którzy chcą praktycznego wprowadzenia w świat układów FPGA.
#4. Programowanie FPGA: Pierwsze kroki z Verilogiem
Ta książka jest idealna, jeśli nie masz żadnego doświadczenia z językiem Verilog i układami FPGA. Jeśli programowanie FPGA to dla Ciebie nowość, to jest to dobre miejsce, aby zacząć. Typowe przykłady, takie jak liczniki i wyświetlacze 7-segmentowe, pomogą początkującym w nauce.
Książka wprowadza w język Verilog i oferuje różne przykłady, takie jak VGA. Nie jest ona jednak najlepszym wyborem, jeśli masz już wiedzę na temat języka Verilog i FPGA. Książka jest dostępna w wersji na Kindle i w wersji papierowej.
Podsumowanie
Układy FPGA mogą w niektórych przypadkach działać lepiej niż układy GPU w aplikacjach głębokiego uczenia się z niskimi opóźnieniami. Programowanie FPGA to kluczowa umiejętność, ponieważ układy FPGA znajdują zastosowanie między innymi w elektronice użytkowej, automatyce przemysłowej i wojsku. Układy FPGA wciąż się rozwijają i możemy spodziewać się ich coraz szerszego zastosowania i lepszej wydajności w przyszłości.