How Does FPGA Programming Work?

Er bestaat een zeer dunne lijn tussen {hardware} en software program. Wanneer u {hardware} voor devices zoals computer systems maakt, moet u ervoor zorgen dat deze code uitvoert en uitvoert.

Subject Programmable Gate Array (FPGA) is een hardwarearchitectuurvorm waarmee gebruikers circuits overal en altijd kunnen aanpassen.

Leren hoe FPGA-programmeren werkt, zal waardevol zijn als je een carrière in de informatica of technologie wilt nastreven.

In dit artikel zullen we beschrijven wat FPGA-programmeren is, hoe het werkt en waar het wordt toegepast, en verschillende bronnen delen om er meer licht op te werpen.

FPGA-programmering

Een FPGA is een geïntegreerd circuit (IC) met configureerbare logische blokken en een assortiment andere functies die door de gebruiker kunnen worden geprogrammeerd en opnieuw geprogrammeerd.

De zinsnede ‘veldprogrammeerbaar’ geeft aan dat de mogelijkheden van de FPGA niet bedraad maar instelbaar zijn. Gebruikers kunnen de functies van het circuit dus op elk gewenst second aanpassen aan hun specifieke ontwerpdoelen.

FPGA-programmering kan worden omschreven als het proces van het creëren van computeroplossingen met behulp van FPGA.

De programmeur moet de architectuur van de poorten plannen, ontwerpen en uitvoeren om een ​​functioneel circuit te creëren dat voldoet aan de behoeften van de gebruikers. Het einddoel van FPGA-programmering is het creëren van een hardwarecircuit dat specifieke uitvoer genereert wanneer het wordt ingeschakeld.

De printplaten op een FPGA zijn ontworpen om het gedrag van circuits in de echte wereld na te bootsen. Dergelijke printplaten worden daarom het meest gebruikt door het kwaliteitsteam om nieuwe producten te testen. Een FPGA-systeem zal verschillende hardware-elementen bevatten.

De logische poorten fungeren op het basisniveau als de bouwstenen van de FPGA. De logische poorten voeren Booleaanse bewerkingen uit op invoer- en uitvoergegevens. Er zijn ook routeringsbronnen die signalen van het ene punt naar het andere routeren.

Gebruiksvoorbeelden van FPGA-programmering

FPGA-programmering is zeer aantrekkelijk geworden voor ontwikkelaars in de moderne wereld.

Hieronder volgen enkele van de gebruiksscenario’s;

#1. ASIC’s ontwerpen

Ontwikkelaars kunnen nu toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen (ASIC’s) ontwerpen. ASIC’s zijn erg populair geworden in de wereld van Bitcoin-mijnbouw.

Het ontwerp van FPGA maakt het eenvoudig om fouten te corrigeren. Het mooie van een FPGA is dat je er één als mannequin voor andere projecten kunt gebruiken en zo op de lange termijn tijd en middelen kunt besparen.

#2. Hernieuwbare energiesector

Hernieuwbare energie uit wind- en zonne-energie wordt steeds populairder in een wereld die wordt geconfronteerd met de uitdaging van de opwarming van de aarde. Transmissie- en distributiesubstations (T&D) hebben efficiënte energienetwerken nodig om de slimme netwerken optimaal te laten presteren.

FPGA’s zijn zeer nuttig bij het verbeteren van de schaalbaarheid en prestaties van slimme netwerken, terwijl het stroomverbruik toch laag blijft.

#3. Lucht- en ruimtevaart en defensie

Vliegtuigen vliegen soms door ruige omgevingen. Productiebedrijven produceren dus rad-harde en rad-tolerante FPGA’s die meer betrouwbaarheid, prestaties en levenscycluseisen bieden in excessive omgevingen dan traditionele ASIC-implementaties.

#4. Servertoepassingen

Datacenters/servers zijn een ding geworden, omdat de vraag naar gegevensverwerkingssnelheid elke dag toeneemt. Gegevens moeten in realtime worden verwerkt, zelfs onder beperkte ruimte- en tijdbeperkingen.

FPGA kan through BRAM connectiviteit bieden met externe gegevensopslagelementen, waardoor de gegevensverwerking op chips wordt versneld.

Voordelen van FPGA-programmering

• FPGA’s zijn herconfigureerbaar. Er moet rekening worden gehouden met de bruikbaarheid van FGPA’s. U kunt er een configureren en opnieuw configureren voor gebruik in een andere toepassing.
• FGPA vereist minder handmatige tussenkomst. De software program verwerkt routerings-, timing- en plaatsingstaken in een FGPA-omgeving. Dergelijke taken kunnen tijdrovend en complicated zijn als ze handmatig worden uitgevoerd.
• FPGA’s worden geleverd als blanco doeken. In tegenstelling tot traditionele ASIC’s met vooraf gedefinieerde functionaliteiten, kunnen FPGA’s opnieuw worden geprogrammeerd voor verschillende gebruiksscenario’s. Een ingenieur kan zo’n systeem dus programmeren voor verschillende gebruiksscenario’s met behulp van HDL’s ({Hardware} Design Language).
• Prototyping. ASIC’s zijn duur om te vervaardigen, en een simpele fout kan zeer kostbaar zijn. Voordat u uw ASIC op de markt brengt, is het belangrijk ervoor te zorgen dat uw systeem functioneel is en voldoet aan de doelen waarvoor het is ontworpen. FPGA’s zijn herprogrammeerbaar, wat betekent dat u ze kunt testen totdat u het ontwerp goed heeft.

Hoe een FPGA te programmeren

De ontwerpen die worden gebruikt om FPGA’s uit te voeren, zijn voornamelijk gecodeerd in {Hardware} Definition Languages ​​(HDL), zoals SystemVerilog, Verilog en VHDL.

#1. Verilog

Verilog is ideaal als u FPGA’s binnen een paar regels code wilt programmeren. Deze taal is vergelijkbaar met C, ook al is deze ontworpen voor hardware-architectuur. Verilog is gemaakt om HDL flexibeler en robuuster te maken.

#2. SysteemVerilog

SystemVerilog is gemaakt als de extensie van Verilog. Het is zowel een hardwareverificatie- als een hardwarebeschrijvingstaal. Met deze taal kun je hardwarepatronen beschrijven, deze omzetten in digitale code en ze vervolgens uploaden naar een FPGA-systeem om specifieke taken uit te voeren.

#3. VHDL

VHDL is de afkorting voor Very Excessive-Velocity ​​Built-in Circuit {Hardware} Definition Language. Met VHDL kunt u de {hardware} van een FPGA beschrijven, zodat gebruikers deze kunnen modelleren en simuleren voordat ze deze in de daadwerkelijke {hardware} coderen.

Programmeren met VHDL maakt het eenvoudig om potentiële fouten in het circuit huge te stellen die gebruikers kunnen oplossen voordat ze definitief worden gecodeerd. Met VHDL kunnen gebruikers hun gestructureerde code schrijven.

Excessive-Stage Synthesis (HLS), waarbij het ontwerp wordt gedaan in een subset van C en de compiler de code omzet in Verilog-code, is populair bij ontwikkelaars die FPGA’s willen programmeren.

Ontwikkelaars kunnen dus de talen waarmee ze vertrouwd zijn, gebruiken om FPGA’s te ontwerpen through uniforme softwareplatforms.

#4. Python

Deze multifunctionele programmeertaal kan worden gebruikt om FPGA’s te programmeren. Om dit te bereiken gebruikt Python PYNQ, een open-sourceproject dat het gemakkelijk maakt om met AMD-platforms te werken.

#5. C en C++

Op C gebaseerde talen zijn ideaal voor FPGA-ontwerp vanwege de high-level synthese (HLS). De AMD Vivado™ HLS-compiler biedt een programmeeromgeving die belangrijke technologieën deelt met gespecialiseerde en standaardprocessors, waardoor op C gebaseerde programma’s worden geoptimaliseerd.

#6. AI-platforms zoals TensorFlow en PyTorch

Ingenieurs gebruiken getrainde deep-learningmodellen van Pytorch of Tensorflow om te compileren voor FPGA-versnelling. Een dergelijke aanpak elimineert de noodzaak voor hardwareprogrammering op laag niveau, terwijl toch een razendsnelle compilatie wordt bereikt.

Code geschreven in normale programmeertalen, zoals Python, C of C++, wordt gesynthetiseerd en omgezet in eigen interconnect-beschrijvingen through synthesetools.

Het resulterende bestand dat de verbindingsbeschrijving bevat, staat bekend als de bitstroom. Een bitstream beschrijft hoe een FPGA moet worden geconfigureerd (hoe flip-flops, poorten en verschillende digitale circuitelementen moeten worden aangesloten through de verbindingsmatrix van de FPGA).

FPGA’s hebben een ingebouwde configuratie die het bitstreambestand leest en dienovereenkomstig FPGA configureert. Het configuratiecircuit kan het bitstreambestand through verschillende benaderingen lezen, zoals parallel flashgeheugen, JTAG en serieel flashgeheugen.

Fabrikanten van FPGA-kaarten leveren software program/instructies die ontwikkelaars gebruiken om de systemen te configureren/programmeren.

De meeste FPGA-systemen kunnen zo vaak mogelijk opnieuw worden geprogrammeerd. De enige beperking is wanneer dergelijke systemen beschadigd raken door omstandigheden die niet aan de specificaties voldoen, zoals slijtage, temperatuur of hoge spanning.

By way of deze leerbronnen kunt u meer leren over FPGA-programmeren

Leermiddelen

#1. FPGA-programmering voor novices

Dit boek laat je kennismaken met de wereld van FPGA-programmeren met behulp van SystemVerilog. De onderwijsaanpak is projectgebaseerd, waarbij je praktijkgerichte toepassingen ontwikkelt, zoals een toetsenbord en een rekenmachine.

Het boek introduceert de FPGA-architectuur voordat wordt onderzocht hoe SystemVerilog RTL moet worden geschreven. In dit boek maak je ook kennis met de basisbeginselen van computerwiskunde, pipelining en parallellisme. Het boek behandelt ook geavanceerde onderwerpen zoals AXI en toetsenbordinterface met PS/2.

Dit boek is ideaal voor programmeurs, ingenieurs en ontwikkelaars van embedded systemen die FPGA- en SystemVerilog-programmering willen leren. Deze bron is ook geschikt voor FPGA-ontwerpers die verlangen naar praktische ervaring met het maken van projecten uit de echte wereld.

#2. FPGA’s voor softwareprogrammeurs

Dit boek introduceert software-ingenieurs in de wereld van FPGA’s en herconfigureerbare technologie. Het boek begint met een introductie van FPGA en het bijbehorende programmeermodel. Dit is ook het boek dat je kunt gebruiken als je wilt leren hoe FPGA’s verschillende applicaties implementeren zonder hardware-ontwerpprocessen op laag niveau.

Het boek geeft een realistisch beeld van de problemen die bij FPGA’s passen en hoe oplossingen geïmplementeerd kunnen worden vanuit het perspectief van een software-ingenieur. De gebruikersgerichte benadering in dit boek maakt het gemakkelijk om te begrijpen waar FPGA-technologie toepasbaar is en hoe. De doelgroep van dit boek zijn softwareontwerpers en FPGA-ontwerpingenieurs.

#3. Beginnende FPGA: Metaal programmeren

Dit boek leert lezers hoe ze de BeMicro MAX 10 kunnen gebruiken om een ​​temperatuursensor, bewegingssensor, temperatuursensor en KITT-autodisplay van Knight Rider te bouwen. Het boek is beginnersvriendelijk en geschikt voor mensen zonder programmeervaardigheden of een diploma elektronica-ingenieur.

Het boek introduceert FPGA’s en legt hun verschillen uit met microcontrollers of ASIC’s. Het is ook het hulpmiddel om u te laten zien hoe u een toolchain opzet en VHDL gebruikt om de FPGA te programmeren. Het boek is ideaal voor elektronica- en Raspberry Pi-enthousiastelingen die een praktische introductie willen in de wereld van FPGA’s.

#4. FPGA’s programmeren: aan de slag met Verilog

Dit boek is ideal als je nog nooit met Verilog en FPGA’s hebt gewerkt. Als FPGA-programmeren een nieuwe time period voor je is, is dit een goede plek om te beginnen. De typische voorbeelden, zoals tellers en 7-segmentdisplays, zullen de leerlingen op weg helpen.

Het boek laat leerlingen kennismaken met Verilog en biedt numerous tussentijdse voorbeelden, zoals VGA. Deze hulpbron is misschien niet ideaal als u al kennis heeft van Verilog en FPGA’s. Dit boek is beschikbaar in Kindle- en Paperback-versies.

Conclusie

FPGA’s kunnen soms beter presteren dan GPU’s in deep learning-applicaties met een lage latentie. FPGA-programmeren is een essentiële vaardigheid, aangezien FPGA onder andere kan worden gebruikt in consumentenelektronica, industriële automatisering en militaire toepassingen. FPGA’s zijn nog steeds in ontwikkeling en we kunnen alleen maar wachten om ze verfijnd te zien worden voor meer gebruiksscenario’s en betere prestaties.