Comment fonctionne la programmation des FPGA ?

La frontière entre le matériel et le logiciel est très mince. Lorsque vous créez du matériel pour des gadgets tels que des ordinateurs, vous devez vous assurer qu'il fonctionne et qu'il exécute le code.

Le Field Programmable Gate Array (FPGA) est une forme d'architecture matérielle qui permet aux utilisateurs de personnaliser des circuits à partir de n'importe quel endroit et à n'importe quel moment.

Apprendre comment fonctionne la programmation des FPGA vous sera utile si vous souhaitez poursuivre une carrière dans l'informatique ou la technologie.

Dans cet article, nous décrirons ce qu'est la programmation FPGA, comment elle fonctionne et où elle est appliquée, et nous partagerons diverses ressources pour vous éclairer davantage à ce sujet.

Programmation FPGA

Un FPGA est un circuit intégré (IC) avec des blocs logiques configurables et un assortiment d'autres caractéristiques qui peuvent être programmées et reprogrammées par l'utilisateur.

L'expression "programmable sur le terrain" indique que les capacités du FPGA ne sont pas câblées mais réglables. Les utilisateurs peuvent donc modifier les fonctions du circuit à tout moment pour répondre à leurs intentions de conception spécifiques.

La programmation FPGA peut être décrite comme le processus de création de solutions informatiques à l'aide d'un FPGA.

Le programmeur doit planifier, concevoir et exécuter l'architecture des portes pour créer un circuit fonctionnel qui réponde aux besoins des utilisateurs. L'objectif final de la programmation FPGA est de créer un circuit matériel qui génère une sortie spécifique lorsqu'il est mis sous tension.

Les circuits imprimés d'un FPGA sont conçus pour imiter le comportement des circuits réels. Ces circuits sont donc principalement utilisés par l'équipe d'assurance qualité pour tester les nouveaux produits. Un système FPGA comporte plusieurs éléments matériels.

Les portes logiques constituent les éléments de base du FPGA. Les portes logiques effectuent des opérations booléennes sur les données d'entrée et de sortie. Il existe également des ressources de routage qui acheminent les signaux d'un point à un autre.

Cas d'utilisation de la programmation FPGA

La programmation FPGA est devenue très attrayante pour les développeurs du monde moderne.

Voici quelques-uns des cas d'utilisation ;

#1. Conception d'ASIC

Les développeurs peuvent désormais concevoir des circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC). Les ASIC sont devenus très populaires dans le monde du minage de Bitcoin.

La conception des FPGA permet de corriger facilement les erreurs. La beauté d'un FPGA est que vous pouvez en utiliser un comme modèle pour d'autres projets et ainsi économiser du temps et des ressources à long terme.

#2. Le secteur des énergies renouvelables

Les énergies renouvelables, éoliennes et solaires, sont de plus en plus populaires dans un monde confronté au défi du réchauffement climatique. Les sous-stations de transmission et de distribution (T&D) nécessitent des réseaux électriques efficaces pour que les réseaux intelligents fonctionnent de manière optimale.

Les FPGA sont très utiles pour améliorer l'évolutivité et les performances des réseaux intelligents tout en maintenant une faible consommation d'énergie.

#3. Aérospatiale et défense

Les avions volent parfois dans des environnements difficiles. Les entreprises de fabrication produisent donc des FPGA résistants et tolérants aux rads qui offrent plus de fiabilité, de performance et de cycle de vie dans des environnements extrêmes que les implémentations ASIC traditionnelles.

#4. Applications serveur

Les centres de données et les serveurs sont devenus incontournables, car la demande de vitesse de traitement des données augmente chaque jour. Les données doivent être traitées en temps réel, même si l'espace et le temps sont limités.

Le FPGA, grâce à la BRAM, peut offrir une connectivité aux éléments de stockage de données externes, accélérant ainsi le traitement des données sur les puces.

Avantages de la programmation des FPGA

• Les FPGA sont reconfigurables. La facilité d'utilisation des FPGA doit être prise en compte. Vous pouvez en configurer un et le reconfigurer pour l'utiliser dans une autre application.
• Le FPGA nécessite moins d'intervention manuelle. Le logiciel gère les tâches de routage, de synchronisation et de placement dans un environnement FGPA. Ces tâches peuvent être longues et complexes si elles sont effectuées manuellement.
• Les FPGA sont des toiles vierges. Contrairement aux ASIC traditionnels aux fonctionnalités prédéfinies, les FPGA peuvent être reprogrammés pour différents cas d'utilisation. Un ingénieur peut donc programmer un tel système pour différents cas d'utilisation à l'aide de HDL (Hardware Design Language).
• Prototypage. La fabrication des ASIC est coûteuse et une simple erreur peut s'avérer très coûteuse. Avant de mettre votre ASIC sur le marché, il est important de s'assurer que votre système est fonctionnel et qu'il répond aux objectifs pour lesquels il a été conçu. Les FPGA sont reprogrammables, ce qui signifie que vous pouvez faire des essais jusqu'à ce que la conception soit correcte.

Comment programmer un FPGA

Les conceptions utilisées pour faire fonctionner les FPGA sont principalement codées dans des langages de description de matériel (HDL) tels que SystemVerilog, Verilog et VHDL.

#1. Verilog

Verilog est idéal si vous souhaitez programmer des FPGA en quelques lignes de code. Ce langage est comparable au langage C bien qu'il soit conçu pour l'architecture matérielle. Verilog a été créé pour rendre le HDL plus flexible et plus robuste.

#2. SystemVerilog

SystemVerilog a été créé comme une extension de Verilog. C'est à la fois un langage de vérification et de description du matériel. Avec ce langage, vous pouvez décrire des modèles de matériel, les convertir en code numérique, puis les télécharger dans un système FPGA pour effectuer des tâches spécifiques.

#3. VHDL

VHDL est l'abréviation de Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (langage de description matérielle des circuits intégrés à très haute vitesse). Avec VHDL, vous pouvez décrire le matériel d'un FPGA, ce qui permet aux utilisateurs de le modéliser et de le simuler avant de l'encoder dans le matériel réel.

La programmation avec VHDL permet de déterminer facilement les erreurs potentielles dans le circuit que les utilisateurs peuvent corriger avant l'encodage final. Le VHDL permet aux utilisateurs d'écrire leur code structuré.

La synthèse de haut niveau (HLS), où la conception est réalisée dans un sous-ensemble de C et où le compilateur transforme le code en code Verilog, est populaire auprès des développeurs qui souhaitent programmer des FPGA.

Les développeurs peuvent ainsi utiliser les langages qu'ils maîtrisent pour concevoir des FPGA par le biais de plateformes logicielles unifiées.

#4. Python

Ce langage de programmation polyvalent peut être utilisé pour programmer des FPGA. Pour ce faire, Python utilise PYNQ, un projet open-source qui facilite le travail avec les plateformes AMD.

#5. C et C

Les langages basés sur le C sont idéaux pour la conception de FPGA en raison de la synthèse de haut niveau (HLS). Le compilateur AMD Vivado™ HLS offre un environnement de programmation partageant des technologies clés avec des processeurs spécialisés et standard, ce qui optimise les programmes basés sur le C.

#6. Les plateformes d'IA comme TensorFlow et PyTorch

Les ingénieurs utilisent des modèles d'apprentissage profond formés à partir de Pytorch ou de Tensorflow pour compiler en vue d'une accélération FPGA. Une telle approche élimine le besoin de programmation matérielle de bas niveau tout en permettant une compilation ultra-rapide.

Le code écrit dans des langages de programmation normaux, tels que Python, C ou C , est synthétisé et converti en descriptions d'interconnexion propriétaires à l'aide d'outils de synthèse.

Le fichier qui en résulte et qui contient la description de l'interconnexion est connu sous le nom de "bitstream". Un bitstream décrit comment configurer un FPGA (comment connecter des bascules, des portes et divers éléments de circuits numériques via la matrice d'interconnexion du FPGA).

Les FPGA ont une configuration intégrée qui lit le fichier bitstream et configure le FPGA en conséquence. Le circuit de configuration peut lire le fichier bitstream par le biais de différentes approches, telles que la mémoire flash parallèle, le JTAG et la mémoire flash série.

Les fabricants de cartes FPGA fournissent des logiciels/instructions que les développeurs utilisent pour configurer/programmer les systèmes.

La plupart des systèmes FPGA peuvent être reprogrammés autant de fois que possible. La seule limite est lorsque ces systèmes sont endommagés par des conditions hors normes telles que l'usure, la température ou la haute tension.

Vous pouvez en apprendre davantage sur la programmation des FPGA grâce aux ressources pédagogiques suivantes

Ressources pédagogiques

#1. Programmation FPGA pour les débutants

Ce livre vous introduit au monde de la programmation FPGA en utilisant SystemVerilog. L'approche pédagogique est basée sur des projets, où vous développez des applications réelles telles qu'un clavier et une calculatrice.

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Le livre présente l'architecture FPGA avant d'explorer comment écrire SystemVerilog RTL. Ce livre vous présente également les bases des mathématiques informatiques, le pipelining et le parallélisme. Le livre aborde également des sujets avancés tels que l'AXI et l'interface clavier avec PS/2.

Ce livre est idéal pour les programmeurs, les ingénieurs et les développeurs de systèmes embarqués qui souhaitent apprendre la programmation FPGA et SystemVerilog. Cette ressource est également adaptée aux concepteurs de FPGA qui ont soif d'expérience pratique pour créer des projets du monde réel.

#2. FPGAs pour les programmeurs de logiciels

Ce livre introduit les ingénieurs logiciels au monde des FPGA et de la technologie reconfigurable. Le livre commence par présenter le FPGA et son modèle de programmation. C'est aussi le livre à utiliser si vous voulez apprendre comment les FPGA implémentent diverses applications sans processus de conception de matériel de bas niveau.

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Le livre donne une idée réaliste des problèmes qui conviennent aux FPGA et de la façon de mettre en œuvre des solutions du point de vue d'un ingénieur logiciel. L'approche orientée utilisateur de ce livre permet de comprendre facilement où et comment la technologie FPGA est applicable. Les lecteurs cibles de ce livre sont les concepteurs de logiciels et les ingénieurs concepteurs de FPGA.

#3. Début du FPGA : Programmation du métal

Ce livre enseigne aux lecteurs comment utiliser le BeMicro MAX 10 pour construire un capteur de température, un capteur de mouvement, un capteur de température et un écran de voiture KITT de Knight Rider. Ce livre s'adresse aux débutants et convient à ceux qui n'ont pas de compétences en programmation ou de diplôme d'ingénieur en électronique.

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Le livre présente les FPGA et explique leurs différences avec les microcontrôleurs ou les ASIC. C'est également la ressource qui vous permettra de découvrir comment configurer une chaîne d'outils et utiliser VHDL pour programmer le FPGA. Ce livre est idéal pour les passionnés d'électronique et de Raspberry Pi qui souhaitent une introduction pratique au monde des FPGA.

#4. Programmation des FPGA : Démarrer avec Verilog

Ce livre est parfait si vous n'avez jamais interagi avec Verilog et les FPGA. Si la programmation des FPGA est un terme nouveau pour vous, c'est un bon point de départ. Les exemples typiques, tels que les compteurs et les affichages à 7 segments, permettront aux apprenants de partir du bon pied.

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	Programmation des FPGA : Démarrer avec Verilog		$13.04	Acheter sur Amazon

Le livre introduit les apprenants à Verilog et propose divers exemples intermédiaires tels que VGA. Cette ressource peut ne pas être idéale si vous avez déjà des connaissances en Verilog et en FPGA. Ce livre est disponible en versions Kindle et Paperback.

Conclusion

Les FPGA peuvent parfois être plus performants que les GPU dans les applications d'apprentissage profond avec une faible latence. La programmation des FPGA est une compétence essentielle car les FPGA peuvent être utilisés dans l'électronique grand public, l'automatisation industrielle et les applications militaires, parmi de nombreuses autres applications. Les FPGA continuent d'évoluer, et nous ne pouvons qu'attendre de les voir s'affiner pour plus de cas d'utilisation et de meilleures performances.