Wie funktioniert die FPGA-Programmierung?

Zwischen Hardware und Software besteht ein schmaler Grat. Wenn Sie Hardware für Geräte wie Computer entwickeln, müssen Sie sicherstellen, dass sie läuft und Code ausführt.

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

Wenn Sie eine Karriere in der Informatik oder Technik anstreben, ist es von Vorteil zu wissen, wie die FPGA-Programmierung funktioniert.

In diesem Artikel beschreiben wir, was FPGA-Programmierung ist, wie sie funktioniert und wo sie angewendet wird, und stellen Ihnen verschiedene Ressourcen zur Verfügung, um mehr Licht in die Sache zu bringen.

FPGA-Programmierung

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

Der Ausdruck 'feldprogrammierbar' bedeutet, dass die Fähigkeiten des FPGAs nicht fest verdrahtet, sondern einstellbar sind. Der Benutzer kann auch die Funktionen des Schaltkreises jederzeit ändern, um seine spezifischen Design-Absichten zu erfüllen.

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

Der Programmierer muss die Architektur der Gatter planen, entwerfen und ausführen, um eine funktionale Schaltung zu erstellen, die den Anforderungen des Benutzers entspricht. Das Endziel der FPGA-Programmierung ist die Erstellung einer Hardwareschaltung, die beim Einschalten eine bestimmte Ausgabe erzeugt.

Die Platinen eines FPGAs sind so konzipiert, dass sie das Verhalten realer Schaltungen nachahmen. Solche Platinen werden daher vor allem vom Qualitätssicherungs-Team verwendet, um neue Produkte zu testen. Ein FPGA-System besteht aus verschiedenen Hardwareelementen.

Die Logikgatter sind die Grundbausteine des FPGAs. Die Logikgatter führen boolesche Operationen an Eingangs- und Ausgangsdaten durch. Außerdem gibt es Routing-Ressourcen, die Signale von einem Punkt zum anderen leiten.

Anwendungsfälle der FPGA-Programmierung

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

Im Folgenden finden Sie einige der Anwendungsfälle;

#1. Entwurf von ASICs

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

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

#2. Der Sektor der erneuerbaren Energien

Erneuerbare Energien aus Wind und Sonne werden in einer Welt, die mit der globalen Erwärmung konfrontiert ist, immer beliebter. Damit die intelligenten Stromnetze optimal funktionieren, benötigen die Übertragungs- und Verteilungsstationen (T&D) effiziente Stromnetze.

FPGAs sind sehr nützlich, um die Skalierbarkeit und Leistung von intelligenten Stromnetzen zu verbessern und gleichzeitig den Stromverbrauch niedrig zu halten.

#3. Luft- und Raumfahrt und Verteidigung

Flugzeuge fliegen manchmal durch raue Umgebungen. Die Hersteller produzieren daher strahlungsresistente und strahlungstolerante FPGAs, die zuverlässiger und leistungsfähiger sind als herkömmliche ASIC-Implementierungen und den Lebenszyklusanforderungen extremer Umgebungen besser gerecht werden.

#4. Server-Anwendungen

Rechenzentren/Server sind in aller Munde, da die Nachfrage nach der Geschwindigkeit der Datenverarbeitung von Tag zu Tag steigt. Die Daten müssen in Echtzeit verarbeitet werden, selbst bei begrenztem Platz- und Zeitbedarf.

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

Vorteile der FPGA-Programmierung

• FPGAs sind rekonfigurierbar. Die Benutzerfreundlichkeit von FGPAs muss berücksichtigt werden. Sie können einen konfigurieren und ihn für eine andere Anwendung umkonfigurieren.
• 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 werden als leere Leinwände geliefert. Im Gegensatz zu herkömmlichen ASICs mit vordefinierten Funktionalitäten können FPGAs für verschiedene Anwendungsfälle umprogrammiert werden. Ein Ingenieur kann auch ein solches System mit Hilfe von HDLs (Hardware Design Language) für verschiedene Anwendungsfälle programmieren.
• Prototyping. ASICs sind teuer in der Herstellung, und ein einfacher Fehler kann sehr kostspielig sein. Bevor Sie Ihren ASIC auf den Markt bringen, müssen Sie sicherstellen, dass Ihr System funktionsfähig ist und die Ziele erfüllt, für die es entwickelt wurde. FPGAs sind reprogrammierbar, d.h. Sie können Testläufe durchführen, bis Sie das Design richtig hinbekommen.

Wie man ein FPGA programmiert

Die Entwürfe für FPGAs werden hauptsächlich in Hardwarebeschreibungssprachen (HDL) wie SystemVerilog, Verilog und VHDL kodiert.

#1. Verilog

Verilog ist ideal, wenn Sie FPGAs mit nur wenigen Zeilen Code programmieren möchten. Diese Sprache ist mit C vergleichbar, obwohl sie für Hardware-Architekturen konzipiert ist. Verilog wurde entwickelt, um HDL flexibler und robuster zu machen.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog wurde als Erweiterung von Verilog entwickelt. Es ist sowohl eine Sprache zur Hardwareverifizierung als auch zur Hardwarebeschreibung. Mit dieser Sprache können Sie Hardwaremuster beschreiben, sie in digitalen Code umwandeln und 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, so dass Sie diese modellieren und simulieren können, bevor Sie sie in die eigentliche Hardware kodieren.

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

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

Die Entwickler können auch die Sprachen, die sie beherrschen, für das Design von FPGAs über einheitliche Softwareplattformen verwenden.

#4. Python

Diese Mehrzweck-Programmiersprache kann zum Programmieren von FPGAs verwendet werden. Zu diesem Zweck verwendet Python PYNQ, ein Open-Source-Projekt, das die Arbeit mit AMD-Plattformen erleichtert.

#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 Standard-Prozessoren gemeinsam hat und die C-basierten Programme optimiert.

#6. KI-Plattformen wie TensorFlow und PyTorch

Ingenieure verwenden trainierte Deep-Learning-Modelle von Pytorch oder Tensorflow, um sie für die FPGA-Beschleunigung zu kompilieren. Ein solcher Ansatz macht die Low-Level-Hardwareprogrammierung überflüssig und ermöglicht dennoch eine blitzschnelle Kompilierung.

Code, der in normalen Programmiersprachen wie Python, C oder C geschrieben wurde, wird synthetisiert und mit Hilfe von Synthesetools in proprietäre Verbindungsbeschreibungen umgewandelt.

Die resultierende Datei, die die Verbindungsbeschreibung enthält, wird als Bitstream bezeichnet. Ein Bitstream beschreibt, wie ein FPGA zu konfigurieren ist (wie Flip-Flops, Gatter und verschiedene digitale Schaltungselemente über die Verbindungsmatrix des FPGAs zu verbinden sind).

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

Die Hersteller von FPGA-Boards stellen Software/Anweisungen zur Verfügung, mit denen Entwickler die Systeme konfigurieren/programmieren können.

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

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

Lernressourcen

#1. FPGA-Programmierung für Einsteiger

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

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Das Buch führt Sie in die FPGA-Architektur ein, bevor es Ihnen zeigt, wie Sie SystemVerilog RTL schreiben. Dieses Buch führt Sie auch in die Grundlagen der Computermathematik, des Pipelining und der Parallelität ein. Das Buch befasst sich auch mit fortgeschrittenen Themen wie AXI und Tastaturschnittstellen mit PS/2.

Dieses Buch ist ideal für Programmierer, Ingenieure und Entwickler eingebetteter Systeme, die die FPGA- und SystemVerilog-Programmierung erlernen möchten. Es ist auch für FPGA-Designer geeignet, die sich nach praktischer Erfahrung bei der Erstellung von realen Projekten sehnen.

#2. FPGAs für Software-Programmierer

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

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Das Buch vermittelt ein realistisches Gefühl für Probleme, die für FPGAs geeignet sind, und für die Implementierung von Lösungen aus der Sicht eines Softwareingenieurs. Der anwenderorientierte Ansatz in diesem Buch macht es leicht zu verstehen, wo und wie die FPGA-Technologie anwendbar ist. Die Zielleser dieses Buches sind Softwareentwickler und FPGA-Designingenieure.

#3. FPGA-Einführung: Programmierung von Metal

In diesem Buch lernen die Leser, wie sie mit dem BeMicro MAX 10 einen Temperatursensor, einen Bewegungssensor, einen Temperatursensor und das KITT-Auto-Display aus Knight Rider bauen können. Das Buch ist einsteigerfreundlich und auch für diejenigen geeignet, die keine Programmierkenntnisse oder einen Abschluss in Elektrotechnik haben.

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Das Buch führt in FPGAs ein und erklärt ihre Unterschiede zu Mikrocontrollern oder ASICs. Es ist auch die Ressource, die Ihnen zeigt, wie Sie eine Toolchain einrichten und VHDL zur Programmierung des FPGAs verwenden. Das Buch ist ideal für Elektronik- und Raspberry Pi-Enthusiasten, die eine praktische Einführung in die Welt der FPGAs suchen.

#4. FPGAs programmieren: Erste Schritte mit Verilog

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

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

Fazit

FPGAs können bei Deep-Learning-Anwendungen mit geringer Latenzzeit manchmal besser abschneiden als GPUs. Die Programmierung von FPGAs ist eine wichtige Fähigkeit, da FPGAs unter anderem in der Unterhaltungselektronik, der industriellen Automatisierung und in militärischen Anwendungen eingesetzt werden können. FPGAs entwickeln sich weiter und wir können nur darauf warten, dass sie für mehr Anwendungsfälle und bessere Leistung feinabgestimmt werden.