¿Cómo funciona la programación FPGA?

Existe una línea muy delgada entre el hardware y el software. Cuando se crea hardware para aparatos como ordenadores, hay que asegurarse de que funcione y ejecute código.

Field Programmable Gate Array (FPGA) es una forma de arquitectura de hardware que permite a los usuarios personalizar circuitos desde cualquier lugar y en cualquier momento.

Aprender cómo funciona la programación de FPGA será muy valioso si desea seguir una carrera en informática o tecnología.

En este artículo, describiremos qué es la programación FPGA, cómo funciona y dónde se aplica, y compartiremos varios recursos para arrojar más luz sobre ella.

Programación de FPGA

Una FPGA es un circuito integrado (CI) con bloques lógicos configurables y un surtido de otras características que el usuario puede programar y reprogramar.

La frase «programable en campo» indica que las capacidades de la FPGA no están cableadas, sino que son ajustables. De este modo, los usuarios pueden modificar las funciones del circuito en cualquier momento para satisfacer sus intenciones específicas de diseño.

La programación de FPGA puede describirse como el proceso de creación de soluciones informáticas mediante FPGA.

El programador tiene que planificar, diseñar y ejecutar la arquitectura de las puertas para crear un circuito funcional que satisfaga las necesidades de los usuarios. El objetivo final de la programación de FPGA es crear un circuito de hardware que genere una salida específica cuando se enciende.

Las placas de circuitos de una FPGA están diseñadas para imitar el comportamiento de los circuitos del mundo real. Por ello, estas placas de circuitos son las más utilizadas por el equipo de control de calidad para probar nuevos productos. Un sistema FPGA tendrá varios elementos de hardware.

Las puertas lógicas actúan como bloques de construcción de la FPGA en el nivel básico. Las puertas lógicas realizan operaciones booleanas sobre los datos de entrada y salida. También hay recursos de enrutamiento que dirigen las señales de un punto a otro.

Casos de uso de la programación FPGA

La programación de FPGAs se ha convertido en algo muy atractivo para los desarrolladores del mundo moderno.

Los siguientes son algunos de los casos de uso;

#1. Diseño de ASIC

Los desarrolladores pueden ahora diseñar circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC). Los ASIC se han hecho muy populares en el mundo de la minería de Bitcoin.

El diseño de FPGA facilita la corrección de errores. Lo bueno de un FPGA es que puede utilizar uno como modelo para otros proyectos y ahorrar así tiempo y recursos a largo plazo.

#2. Sector de las energías renovables

Las energías renovables eólica y solar son cada vez más populares en un mundo que se enfrenta al reto del calentamiento global. Las subestaciones de transmisión y distribución (T&D) requieren redes eléctricas eficientes para que las redes inteligentes funcionen de forma óptima.

Las FPGA resultan muy útiles para mejorar la escalabilidad y el rendimiento de las redes inteligentes sin dejar de mantener un bajo consumo energético.

#3. Aeroespacial y defensa

Los aviones vuelan a veces por entornos difíciles. Por ello, las empresas fabricantes producen FPGAs rad-duros y rad-tolerantes que ofrecen más fiabilidad, rendimiento y exigencias del ciclo de vida en entornos extremos que las implementaciones ASIC tradicionales.

#4. Aplicaciones de servidor

Los centros de datos/servidores se han convertido en un fenómeno, ya que la demanda de velocidad de procesamiento de datos aumenta cada día que pasa. Los datos deben procesarse en tiempo real, incluso con limitaciones de espacio y tiempo.

La FPGA, a través de la BRAM, puede ofrecer conectividad con elementos externos de almacenamiento de datos, acelerando el procesamiento de datos en chips.

Ventajas de la programación FPGA

• Las FPGA son reconfigurables. Hay que tener en cuenta la facilidad de uso de las FPGA. Se puede configurar una y reconfigurarla para utilizarla en otra aplicación.
• Las FGPA requieren menos intervención manual. El software se encarga de las tareas de enrutamiento, temporización y colocación en un entorno FGPA. Estas tareas pueden llevar mucho tiempo y ser complejas si se realizan manualmente.
• Las FPGA vienen como lienzos en blanco. A diferencia de los ASIC tradicionales con funcionalidades predefinidas, las FPGA pueden reprogramarse para diferentes casos de uso. Así, un ingeniero puede programar un sistema de este tipo para diferentes casos de uso utilizando HDL (lenguaje de diseño de hardware).
• Creación de prototipos. Los ASIC son caros de fabricar y un simple error puede salir muy caro. Antes de lanzar su ASIC al mercado, es importante asegurarse de que su sistema es funcional y cumple los objetivos para los que fue diseñado. Las FPGA son reprogramables, lo que significa que puede realizar pruebas hasta que consiga el diseño correcto.

Cómo programar una FPGA

Los diseños utilizados para hacer funcionar las FPGA se codifican principalmente en lenguajes de descripción de hardware (HDL) como SystemVerilog, Verilog y VHDL.

#1. Verilog

Verilog es ideal si desea programar FPGAs con unas pocas líneas de código. Este lenguaje es comparable al C aunque está diseñado para la arquitectura de hardware. Verilog se creó para hacer el HDL más flexible y robusto.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog se creó como extensión de Verilog. Es tanto un lenguaje de verificación de hardware como de descripción de hardware. Con este lenguaje, puede describir patrones de hardware, convertirlos en código digital y, a continuación, cargarlos en un sistema FPGA para realizar tareas específicas.

#3. VHDL

VHDL es la forma abreviada de lenguaje de descripción de hardware de circuitos integrados de muy alta velocidad. Con VHDL, puede describir el hardware de una FPGA, lo que permite a los usuarios modelarlo y simularlo antes de codificarlo en el hardware real.

La programación con VHDL facilita la determinación de posibles errores en el circuito que los usuarios pueden solucionar antes de la codificación final. VHDL permite a los usuarios escribir su código estructurado.

La síntesis de alto nivel (HLS), en la que el diseño se realiza en un subconjunto de C y el compilador transforma el código en código Verilog, es popular entre los desarrolladores que desean programar FPGAs.

De este modo, los desarrolladores pueden utilizar los lenguajes que conocen para diseñar FPGAs a través de plataformas de software unificadas.

#4. Python

Este lenguaje de programación polivalente puede utilizarse para programar FPGAs. Para ello, Python utiliza PYNQ, un proyecto de código abierto que facilita el trabajo con plataformas AMD.

#5. C y C

Los lenguajes basados en C son ideales para el diseño de FPGA gracias a la síntesis de alto nivel (HLS). El compilador AMD Vivado™ HLS ofrece un entorno de programación que comparte tecnologías clave con procesadores especializados y estándar, lo que optimiza los programas basados en C.

#6. Plataformas de IA como TensorFlow y PyTorch

Los ingenieros utilizan modelos de aprendizaje profundo entrenados de Pytorch o Tensorflow para compilar para la aceleración FPGA. Este enfoque elimina la necesidad de programación de hardware de bajo nivel al tiempo que consigue una compilación rapidísima.

El código escrito en lenguajes de programación normales, como Python, C o C , se sintetiza y convierte en descripciones de interconexión propias mediante herramientas de síntesis.

El archivo resultante que contiene la descripción de la interconexión se conoce como flujo de bits. Un flujo de bits describe cómo configurar una FPGA (cómo conectar flip-flops, puertas y diversos elementos de circuitos digitales a través de la matriz de interconexión de la FPGA).

Las FPGA tienen un circuito de configuración incorporado que lee el archivo bitstream y configura en consecuencia la FPGA. El circuito de configuración puede leer el archivo bitstream a través de varios enfoques, como la memoria flash paralela, JTAG y la memoria flash serie.

Los fabricantes de placas FPGA proporcionan software/instrucciones que los desarrolladores utilizan para configurar/programar los sistemas.

La mayoría de los sistemas FPGA pueden reprogramarse tantas veces como sea posible. La única limitación se produce cuando dichos sistemas resultan dañados por condiciones fuera de especificación como el desgaste, la temperatura o la alta tensión.

Puede aprender más sobre la programación de FPGA a través de estos Recursos de Aprendizaje

Recursos de aprendizaje

#1. Programación FPGA para principiantes

Este libro le introduce en el mundo de la programación FPGA utilizando SystemVerilog. El enfoque didáctico está basado en proyectos, en los que usted desarrolla aplicaciones del mundo real como un teclado y una calculadora.

El libro introduce la arquitectura FPGA antes de explorar cómo escribir SystemVerilog RTL. Este libro también le introduce en los fundamentos de las matemáticas computacionales, el pipelining y el paralelismo. El libro también toca temas avanzados como AXI y la interfaz de teclado con PS/2.

Este libro es ideal para programadores, ingenieros y desarrolladores de sistemas embebidos que deseen aprender a programar FPGA y SystemVerilog. Este recurso también es adecuado para diseñadores de FPGA sedientos de experiencia práctica en la creación de proyectos del mundo real.

#2. FPGAs para programadores de software

Este libro introduce a los ingenieros de software en el mundo de las FPGA y la tecnología reconfigurable. El libro comienza presentando la FPGA y su modelo de programación. También es el libro que debe utilizar si desea aprender cómo las FPGA implementan diversas aplicaciones sin procesos de diseño de hardware de bajo nivel.

El libro ofrece una visión realista de los problemas que se adaptan a las FPGA y de cómo implementar soluciones desde el punto de vista de un ingeniero de software. El enfoque orientado al usuario de este libro facilita la comprensión de dónde es aplicable la tecnología FPGA y cómo. Los lectores a los que va dirigido este libro son diseñadores de software e ingenieros de diseño de FPGA.

#3. Beginning FPGA: Programación Metal

Este libro enseña a los lectores a utilizar BeMicro MAX 10 para construir un sensor de temperatura, un sensor de movimiento, un sensor de temperatura y la pantalla del coche KITT de Knight Rider. El libro es apto para principiantes y adecuado para quienes no tengan conocimientos de programación ni un título de ingeniería electrónica.

El libro presenta las FPGA y explica sus diferencias con los microcontroladores o los ASIC. También es el recurso para introducirle en cómo configurar una cadena de herramientas y utilizar VHDL para programar la FPGA. El libro es ideal para los entusiastas de la electrónica y de la Raspberry Pi que deseen una introducción práctica al mundo de las FPGA.

#4. Programación de FPGAs: Getting Started with Verilog

Este libro es perfecto si nunca ha interactuado con Verilog y las FPGAs. Si la programación de FPGAs es un término nuevo para usted, este es un buen lugar para empezar. Los ejemplos típicos, como contadores y pantallas de 7 segmentos, harán que los alumnos empiecen con buen pie.

El libro introduce a los alumnos en Verilog y ofrece varios ejemplos intermedios como VGA. Este recurso puede no ser ideal si ya se tienen conocimientos de Verilog y FPGAs. Este libro está disponible en versiones Kindle y Paperback.

Conclusión

Las FPGA pueden, en ocasiones, rendir mejor que las GPU en aplicaciones de aprendizaje profundo con baja latencia. La programación de FPGAs es una habilidad esencial ya que las FPGAs pueden utilizarse en electrónica de consumo, automatización industrial y aplicaciones militares, entre otras muchas aplicaciones. Las FPGA siguen evolucionando y sólo podemos esperar a ver cómo se perfeccionan para ofrecer más casos de uso y un mejor rendimiento.