Come funziona la programmazione FPGA?

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Esiste una linea molto sottile tra hardware e software. Quando crei hardware per gadget come i computer, devi assicurarti che funzioni ed esegua il codice.

Field Programmable Gate Array (FPGA) è una forma di architettura hardware che consente agli utenti di personalizzare i circuiti da qualsiasi luogo e in qualsiasi momento.

Imparare come funziona la programmazione FPGA sarà prezioso se vuoi intraprendere una carriera nell’informatica o nella tecnologia.

In questo articolo, descriveremo cos’è la programmazione FPGA, come funziona e dove viene applicata e condivideremo varie risorse per far luce su di essa.

Programmazione FPGA

Un FPGA è un circuito integrato (IC) con blocchi logici configurabili e un assortimento di altre caratteristiche che possono essere programmate e riprogrammate dall’utente.

La frase “programmabile sul campo” indica che le capacità dell’FPGA non sono cablate ma regolabili. Gli utenti possono quindi modificare le funzioni del circuito in qualsiasi momento per soddisfare le loro specifiche intenzioni di progettazione.

La programmazione FPGA può essere descritta come il processo di creazione di soluzioni informatiche utilizzando FPGA.

Il programmatore deve pianificare, progettare ed eseguire l’architettura delle porte per creare un circuito funzionale che soddisfi le esigenze degli utenti. L’obiettivo finale della programmazione FPGA è creare un circuito hardware che generi un output specifico all’accensione.

I circuiti stampati su un FPGA sono progettati per imitare il comportamento dei circuiti del mondo reale. Tali circuiti stampati sono quindi maggiormente utilizzati dal team di garanzia della qualità per testare nuovi prodotti. Un sistema FPGA avrà vari elementi hardware.

Le porte logiche fungono da elementi costitutivi dell’FPGA a livello di base. Le porte logiche eseguono operazioni booleane sui dati di input e output. Esistono anche risorse di instradamento che instradano i segnali da un punto all’altro.

Casi d’uso della programmazione FPGA

La programmazione FPGA è diventata molto attraente per gli sviluppatori nel mondo moderno.

I seguenti sono alcuni dei casi d’uso;

#1. Progettazione di ASIC

Gli sviluppatori possono ora progettare circuiti integrati specifici per l’applicazione (ASIC). Gli ASIC sono diventati molto popolari nel mondo del mining di Bitcoin.

Il design dell’FPGA semplifica la correzione degli errori. Il bello di un FPGA è che puoi usarne uno come modello per altri progetti e quindi risparmiare tempo e risorse a lungo termine.

#2. Settore energie rinnovabili

L’energia rinnovabile da eolico e solare sta diventando sempre più popolare in un mondo che affronta la sfida del riscaldamento globale. Le sottostazioni di trasmissione e distribuzione (T&D) richiedono reti elettriche efficienti affinché le reti intelligenti funzionino in modo ottimale.

Gli FPGA sono molto utili per migliorare la scalabilità e le prestazioni delle reti intelligenti pur mantenendo un basso consumo energetico.

#3. Aerospaziale e difesa

Gli aerei a volte volano attraverso ambienti difficili. Le aziende manifatturiere producono quindi FPGA rad-hard e rad-tolerant che offrono maggiori requisiti di affidabilità, prestazioni e ciclo di vita di ambienti estremi rispetto alle tradizionali implementazioni ASIC.

#4. Applicazioni server

I data center/server sono diventati una cosa comune poiché la domanda di velocità di elaborazione dei dati aumenta ogni giorno che passa. I dati devono essere elaborati in tempo reale, anche con limiti di spazio e tempo limitati.

FPGA, tramite BRAM, può offrire connettività a elementi di archiviazione dati esterni, accelerando l’elaborazione dei dati sui chip.

Vantaggi della programmazione FPGA

  • Gli FPGA sono riconfigurabili. L’usabilità degli FGPA deve essere considerata. È possibile configurarne uno e riconfigurarlo per essere utilizzato in un’altra applicazione.
  • FGPA richiede meno interventi manuali. Il software gestisce le attività di instradamento, temporizzazione e posizionamento in un ambiente FGPA. Tali attività possono richiedere molto tempo e essere complesse se gestite manualmente.
  • Gli FPGA si presentano come tele bianche. A differenza degli ASIC tradizionali con funzionalità predefinite, gli FPGA possono essere riprogrammati per diversi casi d’uso. Un ingegnere può quindi programmare un tale sistema per diversi casi d’uso utilizzando HDL (Hardware Design Language).
  • Prototipazione. Gli ASIC sono costosi da produrre e un semplice errore può essere molto costoso. Prima di rilasciare l’ASIC sul mercato, è importante assicurarsi che il sistema sia funzionante e soddisfi gli obiettivi per cui è stato progettato. Gli FPGA sono riprogrammabili, il che significa che puoi testare le corse finché non ottieni il design giusto.

Come programmare un FPGA

I progetti utilizzati per eseguire gli FPGA sono principalmente codificati in Hardware Description Languages ​​(HDL) come SystemVerilog, Verilog e VHDL.

#1. Verlog

Verilog è l’ideale se si desidera programmare FPGA in poche righe di codice. Questo linguaggio è paragonabile al C anche se è progettato per l’architettura hardware. Verilog è stato creato per rendere HDL più flessibile e robusto.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog è stato creato come estensione di Verilog. È sia un linguaggio di verifica dell’hardware che di descrizione dell’hardware. Con questo linguaggio è possibile descrivere modelli hardware, convertirli in codice digitale e quindi caricarli in un sistema FPGA per eseguire attività specifiche.

#3. VHDL

VHDL è l’abbreviazione di Very High-Speed ​​Integrated Circuit Hardware Description Language. Con VHDL è possibile descrivere l’hardware di un FPGA, consentendo agli utenti di modellarlo e simularlo prima di codificarlo nell’hardware effettivo.

La programmazione con VHDL semplifica la determinazione di potenziali errori nel circuito che gli utenti possono correggere prima della codifica finale. VHDL consente agli utenti di scrivere il proprio codice strutturato.

High-Level Synthesis (HLS), in cui la progettazione viene eseguita in un sottoinsieme di C e il compilatore trasforma il codice in codice Verilog, è popolare tra gli sviluppatori che desiderano programmare FPGA.

Gli sviluppatori possono quindi utilizzare i linguaggi con cui hanno dimestichezza per progettare FPGA attraverso piattaforme software unificate.

#4. Pitone

Questo linguaggio di programmazione multiuso può essere utilizzato per programmare FPGA. Per raggiungere questo obiettivo, Python utilizza PYNQ, un progetto open source che semplifica il lavoro con le piattaforme AMD.

#5. C e C++

I linguaggi basati su C sono ideali per la progettazione di FPGA grazie alla sintesi di alto livello (HLS). Il compilatore AMD Vivado™ HLS offre un ambiente di programmazione che condivide tecnologie chiave con processori specializzati e standard, che ottimizza i programmi basati su C.

#6. Piattaforme AI come TensorFlow e PyTorch

Gli ingegneri usano modelli di deep learning addestrati da Pytorch o Tensorflow per compilare per l’accelerazione FPGA. Un tale approccio elimina la necessità di una programmazione hardware di basso livello pur ottenendo una compilazione incredibilmente veloce.

Il codice scritto nei normali linguaggi di programmazione, come Python, C o C++, viene sintetizzato e convertito in descrizioni di interconnessione proprietarie tramite strumenti di sintesi.

Il file risultante contenente la descrizione dell’interconnessione è noto come bitstream. Un bitstream descrive come configurare un FPGA (come collegare flip-flop, porte e vari elementi del circuito digitale tramite la matrice di interconnessione dell’FPGA).

Gli FPGA hanno una configurazione integrata che legge il file bitstream e configura di conseguenza l’FPGA. Il circuito di configurazione può leggere il file bitstream attraverso vari approcci, come Parallel Flash Memory, JTAG e Serial Flash Memory.

I produttori di schede FPGA forniscono software/istruzioni che gli sviluppatori utilizzano per configurare/programmare i sistemi.

La maggior parte dei sistemi FPGA può essere riprogrammata quante più volte possibile. L’unica limitazione è quando tali sistemi sono danneggiati da condizioni fuori specifica come usura, temperatura o alta tensione.

Puoi saperne di più sulla programmazione FPGA attraverso queste risorse di apprendimento

Risorse di apprendimento

#1. Programmazione FPGA per principianti

Questo libro ti introduce nel mondo della programmazione FPGA utilizzando SystemVerilog. basato su progetti, in cui sviluppi applicazioni del mondo reale come una tastiera e una calcolatrice.

Il libro introduce l’architettura FPGA prima di esplorare come scrivere SystemVerilog RTL. Questo libro ti introduce anche alle basi della matematica informatica, al pipelining e al parallelismo. Il libro tocca anche argomenti avanzati come AXI e l’interfacciamento della tastiera con PS/2.

Questo libro è ideale per programmatori, ingegneri e sviluppatori di sistemi embedded che desiderano apprendere la programmazione FPGA e SystemVerilog. Questa risorsa è adatta anche ai progettisti di FPGA che hanno sete di esperienza pratica nella creazione di progetti del mondo reale.

#2. FPGA per programmatori di software

Questo libro introduce gli ingegneri del software nel mondo degli FPGA e della tecnologia riconfigurabile. Il libro inizia introducendo l’FPGA e il suo modello di programmazione. Questo è anche il libro da usare se vuoi imparare come gli FPGA implementano varie applicazioni senza processi di progettazione hardware di basso livello.

Il libro fornisce un senso realistico dei problemi che si adattano agli FPGA e di come implementare soluzioni dal punto di vista di un ingegnere del software. L’approccio orientato all’utente in questo libro rende facile capire dove è applicabile la tecnologia FPGA e come. I lettori di riferimento di questo libro sono i progettisti di software e gli ingegneri progettisti di FPGA.

#3. Inizio FPGA: programmazione in metallo

Questo libro insegna ai lettori come utilizzare BeMicro MAX 10 per costruire un sensore di temperatura, un sensore di movimento, un sensore di temperatura e un display per auto KITT da Knight Rider. Il libro è adatto ai principianti e adatto a chi non ha competenze di programmazione o una laurea in ingegneria elettronica.

Il libro introduce gli FPGA e spiega le loro differenze rispetto ai microcontrollori o agli ASIC. È anche la risorsa per presentarti come configurare una toolchain e utilizzare VHDL per programmare l’FPGA. Il libro è ideale per gli appassionati di elettronica e Raspberry Pi che desiderano un’introduzione pratica al mondo degli FPGA.

#4. Programmazione di FPGA: Introduzione a Verilog

Questo libro è perfetto se non hai mai interagito con Verilog e FPGA. Se la programmazione FPGA è un nuovo termine per te, questo è un buon punto di partenza. I campioni tipici, come contatori e display a 7 segmenti, faranno muovere gli studenti con il piede giusto.

Il libro introduce gli studenti a Verilog e offre vari esempi intermedi come VGA. Questa risorsa potrebbe non essere l’ideale se hai già conoscenza di Verilog e FPGA. Questo libro è disponibile nelle versioni Kindle e Paperback.

Conclusione

Gli FPGA possono, a volte, funzionare meglio delle GPU nelle applicazioni di deep learning con bassa latenza. La programmazione FPGA è un’abilità essenziale in quanto l’FPGA può essere utilizzato nell’elettronica di consumo, nell’automazione industriale e nelle applicazioni militari, tra molte altre applicazioni. Gli FPGA sono ancora in evoluzione e possiamo solo aspettare di vederli perfezionati per più casi d’uso e prestazioni migliori.