Wie funktioniert die FPGA-Programmierung?

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Es gibt einen sehr schmalen Grat zwischen Hardware und Software. Beim Erstellen von Hardware für Gadgets wie Computer müssen Sie sicherstellen, dass sie läuft und Code ausführt.

Field Programmable Gate Array (FPGA) ist eine Hardware-Architekturform, die es Benutzern ermöglicht, Schaltungen von jedem Ort und zu jeder Zeit anzupassen.

Das Erlernen der Funktionsweise der FPGA-Programmierung ist wertvoll, wenn Sie eine Karriere in der Informatik oder Technologie anstreben.

In diesem Artikel beschreiben wir, was FPGA-Programmierung ist, wie sie funktioniert und wo sie angewendet wird, und teilen verschiedene Ressourcen, um mehr Licht ins Dunkel zu bringen.

FPGA-Programmierung

Ein FPGA ist ein integrierter Schaltkreis (IC) mit konfigurierbaren Logikblöcken und einer Reihe anderer Funktionen, die vom Benutzer programmiert und neu programmiert werden können.

Der Ausdruck „feldprogrammierbar“ weist darauf hin, dass die Fähigkeiten des FPGA nicht fest verdrahtet, sondern einstellbar sind. Benutzer können die Funktionen der Schaltung somit jederzeit ändern, um ihre spezifischen Designabsichten zu erfüllen.

Die FPGA-Programmierung kann als Prozess der Erstellung von Computerlösungen mit FPGA beschrieben werden.

Der Programmierer muss die Architektur der Gates planen, entwerfen und ausführen, um eine funktionale Schaltung zu erstellen, die den Bedürfnissen der Benutzer entspricht. Das Endziel der FPGA-Programmierung besteht darin, eine Hardwareschaltung zu erstellen, die beim Einschalten eine bestimmte Ausgabe erzeugt.

Die Leiterplatten auf einem FPGA sind so konzipiert, dass sie das Verhalten realer Schaltungen nachahmen. Solche Leiterplatten werden daher am häufigsten von der Qualitätssicherung zum Testen neuer Produkte verwendet. Ein FPGA-System weist verschiedene Hardwareelemente auf.

Die Logikgatter fungieren auf der Basisebene als Bausteine ​​des FPGA. Die Logikgatter führen Boolesche Operationen an Eingangs- und Ausgangsdaten durch. Es gibt auch Routing-Ressourcen, die Signale von einem Punkt zum anderen routen.

Anwendungsfälle der FPGA-Programmierung

Die FPGA-Programmierung ist für Entwickler in der modernen Welt sehr attraktiv geworden.

Im Folgenden sind einige der Anwendungsfälle aufgeführt;

#1. Entwerfen von ASICs

Entwickler können jetzt anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) entwerfen. ASICs sind in der Welt des Bitcoin-Mining sehr beliebt geworden.

Das Design von FPGA macht es einfach, Fehler zu korrigieren. Das Schöne an einem FPGA ist, dass man es als Modell für andere Projekte verwenden kann und so langfristig Zeit und Ressourcen spart.

#2. Bereich Erneuerbare Energien

Erneuerbare Energie aus Wind und Sonne wird immer beliebter in einer Welt, die mit der Herausforderung der globalen Erwärmung konfrontiert ist. Übertragungs- und Verteilungsstationen (T&D) erfordern effiziente Stromnetze, damit die Smart Grids optimal funktionieren.

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FPGAs sind sehr nützlich, um die Skalierbarkeit und Leistung von Smart Grids zu verbessern und gleichzeitig einen niedrigen Stromverbrauch aufrechtzuerhalten.

#3. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Flugzeuge fliegen manchmal durch raue Umgebungen. Fertigungsunternehmen produzieren daher strahlungsfeste und strahlungstolerante FPGAs, die mehr Zuverlässigkeit, Leistung und Lebenszyklusanforderungen in extremen Umgebungen bieten als herkömmliche ASIC-Implementierungen.

#4. Serveranwendungen

Rechenzentren/Server sind zu einer Sache geworden, da die Nachfrage nach Datenverarbeitungsgeschwindigkeit mit jedem Tag steigt. Daten müssen in Echtzeit verarbeitet werden, auch unter begrenzten Platz- und Zeitbeschränkungen.

FPGA kann über BRAM Konnektivität zu externen Datenspeicherelementen bieten und so die Datenverarbeitung auf Chips beschleunigen.

Vorteile der FPGA-Programmierung

  • FPGAs sind rekonfigurierbar. Die Verwendbarkeit von FGPAs muss berücksichtigt werden. Sie können einen konfigurieren und für die Verwendung in einer anderen Anwendung neu konfigurieren.
  • FGPA erfordert weniger manuelle Eingriffe. Die Software übernimmt Routing-, Timing- und Platzierungsaufgaben in einer FGPA-Umgebung. Solche Aufgaben können zeitaufwändig und komplex sein, wenn sie manuell erledigt werden.
  • FPGAs kommen als leere Leinwände. Im Gegensatz zu herkömmlichen ASICs mit vordefinierten Funktionalitäten können FPGAs für verschiedene Anwendungsfälle neu programmiert werden. Ein Ingenieur kann somit ein solches System mithilfe von HDLs (Hardware Design Language) für verschiedene Anwendungsfälle programmieren.
  • Prototyp entwickeln. ASICs sind teuer in der Herstellung, und ein einfacher Fehler kann sehr kostspielig sein. Bevor Sie Ihren ASIC auf den Markt bringen, ist es wichtig sicherzustellen, dass Ihr System funktionsfähig ist und die Ziele erfüllt, für die es entwickelt wurde. FPGAs sind reprogrammierbar, was bedeutet, dass Sie Testläufe durchführen können, bis Sie das Design richtig hinbekommen.

So programmieren Sie ein FPGA

Die zum Ausführen von FPGAs verwendeten Designs sind hauptsächlich in Hardwarebeschreibungssprachen (HDL) wie SystemVerilog, Verilog und VHDL codiert.

#1. Verilog

Verilog ist ideal, wenn Sie FPGAs innerhalb weniger Codezeilen programmieren möchten. Diese Sprache ist mit C vergleichbar, obwohl sie für die Hardwarearchitektur entwickelt wurde. Verilog wurde entwickelt, um HDL flexibler und robuster zu machen.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog wurde als Erweiterung von Verilog erstellt. Es ist sowohl eine Hardware-Verifikations- als auch eine Hardware-Beschreibungssprache. Mit dieser Sprache können Sie Hardwaremuster beschreiben, sie in digitalen Code umwandeln und sie dann in ein FPGA-System hochladen, um bestimmte Aufgaben auszuführen.

#3. VHDL

VHDL ist die Kurzform für Very High-Speed ​​Integrated Circuit Hardware Description Language. Mit VHDL können Sie die Hardware eines FPGAs beschreiben, sodass Benutzer sie modellieren und simulieren können, bevor sie sie in die tatsächliche Hardware codieren.

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Die Programmierung mit VHDL macht es einfach, potenzielle Fehler in der Schaltung zu ermitteln, die Benutzer vor der endgültigen Codierung beheben können. Mit VHDL können Benutzer ihren strukturierten Code schreiben.

High-Level-Synthese (HLS), bei der das Design in einer Teilmenge von C erfolgt und der Compiler den Code in Verilog-Code umwandelt, ist bei Entwicklern beliebt, die FPGAs programmieren möchten.

Entwickler können somit die ihnen vertrauten Sprachen verwenden, um FPGAs über einheitliche Softwareplattformen zu entwerfen.

#4. Python

Diese Mehrzweck-Programmiersprache kann zum Programmieren von FPGAs verwendet werden. Um dies zu erreichen, verwendet Python PYNQ, ein Open-Source-Projekt, das die Arbeit mit AMD-Plattformen vereinfacht.

#5. C und C++

C-basierte Sprachen sind aufgrund der High-Level-Synthese (HLS) ideal für das FPGA-Design. Der AMD Vivado™ HLS-Compiler bietet eine Programmierumgebung, die Schlüsseltechnologien mit spezialisierten und Standardprozessoren teilt, wodurch C-basierte Programme optimiert werden.

#6. KI-Plattformen wie TensorFlow und PyTorch

Ingenieure verwenden trainierte Deep-Learning-Modelle von Pytorch oder Tensorflow, um für die FPGA-Beschleunigung zu kompilieren. Ein solcher Ansatz eliminiert die Notwendigkeit einer Low-Level-Hardwareprogrammierung und erreicht dennoch eine blitzschnelle Kompilierung.

In normalen Programmiersprachen wie Python, C oder C++ geschriebener Code wird synthetisiert und durch Synthesewerkzeuge in proprietäre Verbindungsbeschreibungen umgewandelt.

Die resultierende Datei, die die Verbindungsbeschreibung enthält, ist als Bitstrom bekannt. Ein Bitstrom beschreibt, wie ein FPGA konfiguriert wird (wie Flip-Flops, Gatter und verschiedene digitale Schaltungselemente über die Verbindungsmatrix des FPGA verbunden werden).

FPGAs haben eine eingebaute Konfiguration, die die Bitstream-Datei liest und FPGA entsprechend konfiguriert. Die Konfigurationsschaltung kann die Bitstream-Datei über verschiedene Ansätze lesen, wie z. B. parallelen Flash-Speicher, JTAG und seriellen Flash-Speicher.

FPGA-Board-Hersteller stellen Software/Anweisungen bereit, die Entwickler zum Konfigurieren/Programmieren der Systeme verwenden.

Die meisten FPGA-Systeme können so oft wie möglich neu programmiert werden. Die einzige Einschränkung besteht, wenn solche Systeme durch nicht spezifikationsgerechte Bedingungen wie Verschleiß, Temperatur oder Hochspannung beschädigt werden.

In diesen Lernressourcen können Sie mehr über die FPGA-Programmierung erfahren

Lernmittel

#1. FPGA-Programmierung für Anfänger

Dieses Buch führt Sie in die Welt der FPGA-Programmierung mit SystemVerilog ein. Der Unterrichtsansatz ist projektbasiert, bei dem Sie reale Anwendungen wie eine Tastatur und einen Taschenrechner entwickeln.

Das Buch stellt die FPGA-Architektur vor, bevor es untersucht, wie man SystemVerilog RTL schreibt. Dieses Buch führt Sie auch in die Grundlagen der Computermathematik, Pipelining und Parallelität ein. Das Buch berührt auch fortgeschrittene Themen wie AXI und Tastaturschnittstellen mit PS/2.

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Dieses Buch ist ideal für Programmierer, Ingenieure und Entwickler eingebetteter Systeme, die die FPGA- und SystemVerilog-Programmierung erlernen möchten. Diese Ressource ist auch für FPGA-Designer geeignet, die nach praktischer Erfahrung bei der Erstellung realer Projekte dürsten.

#2. FPGAs für Softwareprogrammierer

Dieses Buch führt Softwareingenieure in die Welt der FPGAs und der rekonfigurierbaren Technologie ein. Das Buch beginnt mit einer Einführung in FPGA und sein Programmiermodell. Dies ist auch das Buch, das Sie verwenden sollten, wenn Sie lernen möchten, wie FPGAs verschiedene Anwendungen ohne Low-Level-Hardware-Designprozesse implementieren.

Das Buch vermittelt ein realistisches Gefühl für Probleme, die zu FPGAs passen, und wie man Lösungen aus der Sicht eines Softwareentwicklers implementiert. Der benutzerorientierte Ansatz in diesem Buch macht es leicht zu verstehen, wo und wie die FPGA-Technologie anwendbar ist. Die Zielgruppe dieses Buches sind Softwaredesigner und FPGA-Designingenieure.

#3. Beginnend mit FPGA: Programmieren von Metall

Dieses Buch lehrt den Leser, wie man BeMicro MAX 10 verwendet, um einen Temperatursensor, Bewegungssensor, Temperatursensor und ein KITT-Autodisplay von Knight Rider zu bauen. Das Buch ist anfängerfreundlich und für Personen ohne Programmierkenntnisse oder Elektrotechnik-Studium geeignet.

Das Buch stellt FPGAs vor und erklärt ihre Unterschiede zu Mikrocontrollern oder ASICs. Es ist auch die Ressource, die Sie in die Einrichtung einer Toolchain und die Verwendung von VHDL zum Programmieren des FPGA einführt. Das Buch ist ideal für Elektronik- und Raspberry Pi-Enthusiasten, die eine praktische Einführung in die Welt der FPGAs wünschen.

#4. Programmieren von FPGAs: Erste Schritte mit Verilog

Dieses Buch ist perfekt, wenn Sie noch nie mit Verilog und FPGAs gearbeitet haben. Wenn FPGA-Programmierung ein neuer Begriff für Sie ist, ist dies ein guter Einstieg. Die typischen Beispiele, wie Zähler und 7-Segment-Anzeigen, bringen Lernende auf den richtigen Fuß.

Das Buch führt Lernende in Verilog ein und bietet verschiedene Zwischenbeispiele wie VGA. Diese Ressource ist möglicherweise nicht ideal, wenn Sie bereits über Verilog- und FPGA-Kenntnisse verfügen. Dieses Buch ist als Kindle- und Taschenbuchversion erhältlich.

Fazit

FPGAs können in Deep-Learning-Anwendungen mit geringer Latenz manchmal eine bessere Leistung als GPUs erbringen. Die FPGA-Programmierung ist eine wesentliche Fähigkeit, da FPGA neben vielen anderen Anwendungen in der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und in militärischen Anwendungen eingesetzt werden kann. FPGAs entwickeln sich immer noch weiter, und wir können nur darauf warten, dass sie für mehr Anwendungsfälle und eine bessere Leistung optimiert werden.