Hvordan fungerer FPGA-programmering?

Der er en meget tynd grænse mellem hardware og software. Når du opretter hardware til gadgets såsom computere, skal du sikre dig, at den kører og eksekverer kode.

Field Programmable Gate Array (FPGA) er en hardwarearkitekturform, der giver brugerne mulighed for at tilpasse kredsløb fra ethvert sted og til enhver tid.

At lære om, hvordan FPGA-programmering fungerer, vil være værdifuldt, hvis du ønsker at forfølge en karriere inden for datalogi eller teknologi.

I denne artikel vil vi beskrive, hvad FPGA-programmering er, hvordan det fungerer, og hvor det anvendes, og vi deler forskellige ressourcer for at kaste mere lys over det.

FPGA programmering

En FPGA er et integreret kredsløb (IC) med konfigurerbare logiske blokke og et udvalg af andre funktioner, der kan programmeres og omprogrammeres af brugeren.

Udtrykket ‘feltprogrammerbar’ angiver, at FPGA’ens evner ikke er fastkablet, men justerbare. Brugere kan således ændre kredsløbets funktioner når som helst for at opfylde deres specifikke designhensigter.

FPGA-programmering kan beskrives som processen med at skabe computerløsninger ved hjælp af FPGA.

Programmøren skal planlægge, designe og udføre portens arkitektur for at skabe et funktionelt kredsløb, der opfylder brugernes behov. Slutmålet med FPGA-programmering er at skabe et hardwarekredsløb, der genererer specifikt output, når det tændes.

Kredsløbskortene på en FPGA er designet til at efterligne adfærden af kredsløb i den virkelige verden. Sådanne printplader bliver således mest brugt af kvalitetssikringsteamet til at teste nye produkter. Et FPGA-system vil have forskellige hardwareelementer.

De logiske porte fungerer som FPGA’ens byggesten på det grundlæggende niveau. De logiske porte udfører booleske operationer på input- og outputdata. Der er også routingressourcer, der dirigerer signaler fra et punkt til et andet.

Brugstilfælde af FPGA-programmering

FPGA-programmering er blevet meget attraktiv for udviklere i den moderne verden.

Følgende er nogle af use cases;

#1. Design af ASIC’er

Udviklere kan nu designe applikationsspecifikke integrerede kredsløb (ASIC’er). ASIC’er er blevet meget populære i verden af Bitcoin-minedrift.

13 Custom PC Builder-websteder for at få det perfekte skrivebord

Designet af FPGA gør det nemt at rette fejl. Det smukke ved en FPGA er, at du kan bruge en som model til andre projekter og dermed spare tid og ressourcer i det lange løb.

#2. Sektor for vedvarende energi

Vedvarende energi fra vind og sol bliver mere populær i en verden, der står over for udfordringen med den globale opvarmning. Transmissions- og distributionsstationer (T&D) kræver effektive strømnetværk for at de smarte net kan fungere optimalt.

FPGA’er er meget nyttige til at forbedre skalerbarheden og ydeevnen af smarte net, mens de stadig opretholder et lavt strømforbrug.

#3. Luftfart og forsvar

Fly flyver nogle gange gennem barske omgivelser. Produktionsvirksomheder producerer således hårde og radtolerante FPGA’er, der tilbyder mere pålidelighed, ydeevne og livscykluskrav i ekstreme miljøer end traditionelle ASIC-implementeringer.

#4. Server applikationer

Datacentre/servere er blevet en ting, da efterspørgslen efter databehandlingshastighed stiger for hver dag, der går. Data skal behandles i realtid, selv under begrænsede plads- og tidsbegrænsninger.

FPGA kan gennem BRAM tilbyde forbindelse til eksterne datalagringselementer, hvilket accelererer databehandlingen på chips.

Fordele ved FPGA-programmering

FPGA’er kan rekonfigureres. Brugbarheden af FGPA’er skal overvejes. Du kan konfigurere en og omkonfigurere den til at blive brugt i en anden applikation.
FGPA kræver mindre manuel indgriben. Softwaren håndterer routing-, timing- og placeringsopgaver i et FGPA-miljø. Sådanne opgaver kan være tidskrævende og komplekse, hvis de håndteres manuelt.
FPGA’er kommer som tomme lærreder. I modsætning til traditionelle ASIC’er med foruddefinerede funktionaliteter, kan FPGA’er omprogrammeres til forskellige anvendelsestilfælde. En ingeniør kan således programmere et sådant system til forskellige use cases ved hjælp af HDL’er (Hardware Design Language).
Prototyping. ASIC’er er dyre at fremstille, og en simpel fejl kan være meget dyr. Før du frigiver din ASIC til markedet, er det vigtigt at sikre, at dit system er funktionelt og opfylder de mål, det er designet til. FPGA’er er omprogrammerbare, hvilket betyder, at du kan teste kørsler, indtil du får det rigtige design.

Sådan programmeres en FPGA

De designs, der bruges til at køre FPGA’er, er primært kodet i Hardware Description Languages (HDL) såsom SystemVerilog, Verilog og VHDL.

#1. Verilog

Verilog er ideel, hvis du vil programmere FPGA’er inden for et par linjer kode. Dette sprog kan sammenlignes med C, selvom det er designet til hardwarearkitektur. Verilog blev skabt for at gøre HDL mere fleksibel og robust.

Hvad er HTC S-OFF?

#2. SystemVerilog

SystemVerilog blev oprettet som Verilogs udvidelse. Det er både et hardwareverifikations- og hardwarebeskrivelsessprog. Med dette sprog kan du beskrive hardwaremønstre, konvertere dem til digital kode og derefter uploade dem til et FPGA-system for at udføre specificerede opgaver.

#3. VHDL

VHDL er den korte form for Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Med VHDL kan du beskrive en FPGA’s hardware, så brugerne kan modellere og simulere den, før de koder den ind i den faktiske hardware.

Programmering med VHDL gør det nemt at bestemme potentielle fejl i kredsløbet, som brugerne kan rette før den endelige kodning. VHDL giver brugerne mulighed for at skrive deres strukturerede kode.

High-Level Synthesis (HLS), hvor designet udføres i en delmængde af C, og compileren omdanner koden til Verilog-kode, er populær blandt udviklere, der ønsker at programmere FPGA’er.

Udviklere kan således bruge de sprog, de er fortrolige med, til at designe FPGA’er gennem forenede softwareplatforme.

#4. Python

Dette multifunktionelle programmeringssprog kan bruges til at programmere FPGA’er. For at opnå dette bruger Python PYNQ, et open source-projekt, der gør det nemt at arbejde med AMD-platforme.

#5. C og C++

C-baserede sprog er ideelle til FPGA-design på grund af højniveausyntese (HLS). AMD Vivado™ HLS-kompileren tilbyder et programmeringsmiljø, der deler nøgleteknologier med specialiserede og standardprocessorer, som optimerer C-baserede programmer.

#6. AI-platforme som TensorFlow og PyTorch

Ingeniører bruger trænede deep-learning-modeller fra Pytorch eller Tensorflow til at kompilere til FPGA-acceleration. En sådan tilgang eliminerer behovet for hardwareprogrammering på lavt niveau, mens den stadig opnår lynhurtig kompilering.

Kode skrevet i normale programmeringssprog, såsom Python, C eller C++, syntetiseres og konverteres til proprietære sammenkoblingsbeskrivelser gennem synteseværktøjer.

Den resulterende fil, der indeholder sammenkoblingsbeskrivelsen, er kendt som bitstrømmen. En bitstream beskriver, hvordan man konfigurerer en FPGA (hvordan man forbinder flip-flops, gates og forskellige digitale kredsløbselementer via FPGA’ens sammenkoblingsmatrix).

FPGA’er har en indbygget konfiguration, der læser bitstream-filen og dermed konfigurerer FPGA. Konfigurationskredsløbet kan læse bitstream-filen gennem forskellige tilgange, såsom Parallel Flash Memory, JTAG og Serial Flash Memory.

FPGA-kortproducenter leverer software/instruktioner, som udviklere bruger til at konfigurere/programmere systemerne.

De fleste FPGA-systemer kan omprogrammeres så mange gange som muligt. Den eneste begrænsning er, når sådanne systemer er beskadiget af forhold uden for specifikationer såsom slitage, temperatur eller højspænding.

Hvad er det, hvordan virker det, og er det sikkert at bruge?

Du kan lære mere om FPGA-programmering gennem disse læringsressourcer

Læringsressourcer

#1. FPGA programmering for begyndere

Denne bog introducerer dig til en verden af FPGA-programmering ved hjælp af SystemVerilog. Undervisningstilgangen er projektbaseret, hvor du udvikler virkelige applikationer såsom et tastatur og en lommeregner.

Bogen introducerer FPGA-arkitekturen, før den udforsker, hvordan man skriver SystemVerilog RTL. Denne bog introducerer dig også til grundlæggende computermatematik, pipelining og parallelisme. Bogen kommer også ind på avancerede emner som AXI og tastaturinterface med PS/2.

Denne bog er ideel til programmører, ingeniører og indlejrede systemudviklere, der ønsker at lære FPGA og SystemVerilog programmering. Denne ressource er også velegnet til FPGA-designere, der tørster efter praktisk erfaring med at skabe projekter i den virkelige verden.

#2. FPGA’er til softwareprogrammører

Denne bog introducerer softwareingeniører til en verden af FPGA’er og rekonfigurerbar teknologi. Bogen starter med at introducere FPGA og dens programmeringsmodel. Dette er også bogen, du skal bruge, hvis du vil lære, hvordan FPGA’er implementerer forskellige applikationer uden hardwaredesignprocesser på lavt niveau.

Bogen giver en realistisk fornemmelse af problemer, der passer til FPGA’er, og hvordan man implementerer løsninger fra en softwareingeniørs synspunkt. Den brugerorienterede tilgang i denne bog gør det nemt at forstå, hvor FPGA-teknologi er anvendelig og hvordan. Mållæserne af denne bog er softwaredesignere og FPGA-designingeniører.

#3. Begyndende FPGA: Programmering af metal

Denne bog lærer læserne, hvordan man bruger BeMicro MAX 10 til at bygge en temperatursensor, bevægelsessensor, temperatursensor og KITT-bildisplay fra Knight Rider. Bogen er begyndervenlig og velegnet til dem uden programmeringsevner eller en elektronikingeniøruddannelse.

Bogen introducerer FPGA’er og forklarer deres forskelle fra mikrocontrollere eller ASIC’er. Det er også ressourcen til at introducere dig til, hvordan du opsætter en værktøjskæde og bruger VHDL til at programmere FPGA. Bogen er ideel til elektronik- og Raspberry Pi-entusiaster, der ønsker en praktisk introduktion til FPGA-verdenen.

#4. Programmering af FPGA’er: Kom godt i gang med Verilog

Denne bog er perfekt, hvis du aldrig har interageret med Verilog og FPGA’er. Hvis FPGA-programmering er et nyt begreb for dig, er dette et godt sted at komme i gang. De typiske prøver, såsom tællere og 7-segment displays, vil få eleverne på ret fod.

Bogen introducerer elever til Verilog og tilbyder forskellige mellemliggende eksempler som VGA. Denne ressource er muligvis ikke ideel, hvis du allerede har Verilog og FPGAs viden. Denne bog er tilgængelig i Kindle- og Paperback-versioner.

Konklusion

FPGA’er kan til tider yde bedre end GPU’er i deep learning-applikationer med lav latenstid. FPGA-programmering er en væsentlig færdighed, da FPGA kan bruges i forbrugerelektronik, industriel automation og militære applikationer, blandt mange andre applikationer. FPGA’er udvikler sig stadig, og vi kan kun vente med at se dem finjusteret for flere use cases og bedre ydeevne.