Lập trình FPGA hoạt động như thế nào?

Có tồn tại một ranh giới rất mong manh giữa phần cứng và phần mềm. Khi tạo phần cứng cho các tiện ích như máy tính, bạn phải đảm bảo rằng phần cứng đó chạy và thực thi mã.

Field Programmable Gate Array (FPGA) là một dạng kiến ​​trúc phần cứng cho phép người dùng tùy chỉnh các mạch từ mọi nơi và mọi lúc.

Tìm hiểu về cách thức hoạt động của chương trình FPGA sẽ rất có giá trị nếu bạn muốn theo đuổi sự nghiệp trong lĩnh vực khoa học hoặc công nghệ máy tính.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ mô tả lập trình FPGA là gì, nó hoạt động như thế nào và nó được áp dụng ở đâu, đồng thời chia sẻ các tài nguyên khác nhau để làm sáng tỏ hơn về nó.

Lập trình FPGA

FPGA là một mạch tích hợp (IC) với các khối logic có thể định cấu hình và một loạt các tính năng khác mà người dùng có thể lập trình và lập trình lại.

Cụm từ ‘trường có thể lập trình’ cho biết các khả năng của FPGA không được lập trình sẵn mà có thể điều chỉnh được. Do đó, người dùng có thể sửa đổi các chức năng của mạch bất cứ lúc nào để đáp ứng ý định thiết kế cụ thể của họ.

Lập trình FPGA có thể được mô tả là quá trình tạo ra các giải pháp điện toán bằng cách sử dụng FPGA.

Lập trình viên phải lập kế hoạch, thiết kế và thực hiện kiến ​​trúc của cổng để tạo ra một mạch chức năng đáp ứng nhu cầu của người dùng. Mục tiêu cuối cùng của lập trình FPGA là tạo ra một mạch phần cứng tạo ra đầu ra cụ thể khi bật nguồn.

Các bảng mạch trên FPGA được thiết kế để bắt chước hoạt động của các mạch trong thế giới thực. Do đó, các bảng mạch như vậy được nhóm đảm bảo chất lượng sử dụng nhiều nhất để thử nghiệm các sản phẩm mới. Một hệ thống FPGA sẽ có nhiều thành phần phần cứng khác nhau.

Các cổng logic hoạt động như các khối xây dựng của FPGA ở mức cơ bản. Các cổng logic thực hiện các phép toán Boolean trên dữ liệu đầu vào và đầu ra. Ngoài ra còn có các tài nguyên định tuyến định tuyến tín hiệu từ điểm này đến điểm khác.

Các trường hợp sử dụng lập trình FPGA

Lập trình FPGA đã trở nên rất hấp dẫn đối với các nhà phát triển trong thế giới hiện đại.

Sau đây là một số trường hợp sử dụng;

#1. Thiết kế ASIC

Giờ đây, các nhà phát triển có thể thiết kế các mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC). ASIC đã trở nên rất phổ biến trong thế giới khai thác Bitcoin.

Thiết kế của FPGA giúp dễ dàng sửa lỗi. Cái hay của FPGA là bạn có thể sử dụng nó làm mẫu cho các dự án khác và do đó tiết kiệm thời gian và tài nguyên về lâu dài.

#2. Lĩnh vực năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo từ gió và mặt trời đang trở nên phổ biến hơn trong một thế giới đang đối mặt với thách thức nóng lên toàn cầu. Các trạm biến áp truyền tải và phân phối (T&D) yêu cầu mạng lưới điện hiệu quả để lưới điện thông minh hoạt động tối ưu.

FPGA rất hữu ích trong việc cải thiện khả năng mở rộng và hiệu suất của lưới điện thông minh trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng thấp.

#3. Hàng không vũ trụ và quốc phòng

Máy bay đôi khi bay qua môi trường khắc nghiệt. Do đó, các công ty sản xuất sản xuất các FPGA cứng và chịu được bức xạ mang lại độ tin cậy, hiệu suất và nhu cầu vòng đời của các môi trường khắc nghiệt hơn so với các triển khai ASIC truyền thống.

#4. ứng dụng máy chủ

Trung tâm dữ liệu / máy chủ đã trở thành một thứ khi nhu cầu về tốc độ xử lý dữ liệu tăng lên mỗi ngày. Dữ liệu cần được xử lý theo thời gian thực, ngay cả trong điều kiện hạn chế về không gian và thời gian.

FPGA, thông qua BRAM, có thể cung cấp khả năng kết nối với các phần tử lưu trữ dữ liệu bên ngoài, tăng tốc xử lý dữ liệu trên chip.

Lợi ích của lập trình FPGA

• FPGA có thể cấu hình lại. Khả năng sử dụng của FGPA phải được xem xét. Bạn có thể cấu hình một và cấu hình lại nó để sử dụng trong một ứng dụng khác.
• FGPA yêu cầu ít can thiệp thủ công hơn. Phần mềm xử lý các tác vụ định tuyến, định thời gian và vị trí trong môi trường FGPA. Những tác vụ như vậy có thể tốn nhiều thời gian và phức tạp nếu được xử lý thủ công.
• FPGA có dạng canvas trống. Không giống như ASIC truyền thống với các chức năng được xác định trước, FPGA có thể được lập trình lại cho các trường hợp sử dụng khác nhau. Do đó, một kỹ sư có thể lập trình một hệ thống như vậy cho các trường hợp sử dụng khác nhau bằng cách sử dụng HDL (Ngôn ngữ thiết kế phần cứng).
• tạo mẫu. ASIC rất tốn kém để sản xuất và một lỗi đơn giản có thể rất tốn kém. Trước khi bạn phát hành ASIC của mình ra thị trường, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng hệ thống của bạn hoạt động và đáp ứng các mục tiêu mà nó được thiết kế. FPGA có thể lập trình lại, nghĩa là bạn có thể chạy thử cho đến khi thiết kế đúng.

Cách lập trình một FPGA

Các thiết kế được sử dụng để chạy FPGA chủ yếu được mã hóa bằng Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) như SystemVerilog, Verilog và VHDL.

#1. Verilog

Verilog là lý tưởng nếu bạn muốn lập trình FPGA trong một vài dòng mã. Ngôn ngữ này có thể so sánh với C mặc dù nó được thiết kế cho kiến ​​trúc phần cứng. Verilog được tạo ra để làm cho HDL trở nên linh hoạt và mạnh mẽ hơn.

#2. Hệ thốngVerilog

SystemVerilog được tạo dưới dạng phần mở rộng của Verilog. Nó vừa là ngôn ngữ xác minh phần cứng vừa là ngôn ngữ mô tả phần cứng. Với ngôn ngữ này, bạn có thể mô tả các mẫu phần cứng, chuyển đổi chúng thành mã kỹ thuật số, sau đó tải chúng lên hệ thống FPGA để thực hiện các tác vụ được chỉ định.

#3. VHDL

VHDL là dạng viết tắt của Ngôn ngữ mô tả phần cứng mạch tích hợp tốc độ rất cao. Với VHDL, bạn có thể mô tả phần cứng của FPGA, cho phép người dùng lập mô hình và mô phỏng nó trước khi họ mã hóa nó thành phần cứng thực tế.

Lập trình với VHDL giúp dễ dàng xác định các lỗi tiềm ẩn trong mạch mà người dùng có thể khắc phục trước khi mã hóa lần cuối. VHDL cho phép người dùng viết mã có cấu trúc của họ.

Tổng hợp mức cao (HLS), trong đó thiết kế được thực hiện trong một tập hợp con của C và trình biên dịch chuyển đổi mã thành mã Verilog, phổ biến với các nhà phát triển muốn lập trình FPGA.

Do đó, các nhà phát triển có thể sử dụng các ngôn ngữ mà họ thông thạo để thiết kế FPGA thông qua các nền tảng phần mềm hợp nhất.

#4. con trăn

Ngôn ngữ lập trình đa năng này có thể được sử dụng để lập trình FPGA. Để đạt được điều này, Python sử dụng PYNQ, một dự án nguồn mở giúp dễ dàng làm việc với các nền tảng AMD.

#5. C và C++

Các ngôn ngữ dựa trên C là lý tưởng cho thiết kế FPGA do tổng hợp mức cao (HLS). Trình biên dịch AMD Vivado™ HLS cung cấp một môi trường lập trình chia sẻ các công nghệ chính với các bộ xử lý tiêu chuẩn và chuyên dụng, giúp tối ưu hóa các chương trình dựa trên C.

#6. Các nền tảng AI như TensorFlow và PyTorch

Các kỹ sư sử dụng các mô hình học sâu được đào tạo từ Pytorch hoặc Tensorflow để biên dịch nhằm tăng tốc FPGA. Cách tiếp cận như vậy giúp loại bỏ nhu cầu lập trình phần cứng cấp thấp trong khi vẫn đạt được tốc độ biên dịch cực nhanh.

Mã được viết bằng các ngôn ngữ lập trình thông thường, chẳng hạn như Python, C hoặc C++, được tổng hợp và chuyển đổi thành các mô tả kết nối độc quyền thông qua các công cụ tổng hợp.

Tệp kết quả chứa mô tả kết nối được gọi là dòng bit. Dòng bit mô tả cách định cấu hình FPGA (cách kết nối flip-flop, cổng và các phần tử mạch kỹ thuật số khác nhau thông qua ma trận kết nối của FPGA).

FPGA có cấu hình sẵn có để đọc tệp dòng bit và theo đó cấu hình FPGA. Mạch cấu hình có thể đọc tệp dòng bit thông qua nhiều cách tiếp cận khác nhau, chẳng hạn như Bộ nhớ flash song song, JTAG và Bộ nhớ flash nối tiếp.

Các nhà sản xuất bo mạch FPGA cung cấp phần mềm/hướng dẫn mà các nhà phát triển sử dụng để định cấu hình/lập trình hệ thống.

Hầu hết các hệ thống FPGA có thể được lập trình lại nhiều lần. Hạn chế duy nhất là khi các hệ thống như vậy bị hư hỏng do các điều kiện ngoài thông số kỹ thuật như hao mòn, nhiệt độ hoặc điện áp cao.

Bạn có thể tìm hiểu thêm về lập trình FPGA thông qua các Tài nguyên học tập này

Tài nguyên học tập

#1. Lập trình FPGA cho người mới bắt đầu

Cuốn sách này giới thiệu cho bạn về thế giới lập trình FPGA sử dụng SystemVerilog. Phương pháp giảng dạy dựa trên dự án, nơi bạn phát triển các ứng dụng trong thế giới thực như bàn phím và máy tính.

Cuốn sách giới thiệu kiến ​​trúc FPGA trước khi khám phá cách viết SystemVerilog RTL. Cuốn sách này cũng giới thiệu cho bạn những điều cơ bản về toán máy tính, đường ống và tính song song. Cuốn sách cũng đề cập đến các chủ đề nâng cao như AXI và giao tiếp bàn phím với PS/2.

Cuốn sách này lý tưởng cho các lập trình viên, kỹ sư và nhà phát triển hệ thống nhúng mong muốn học lập trình FPGA và SystemVerilog. Tài nguyên này cũng phù hợp với các nhà thiết kế FPGA, những người khao khát trải nghiệm thực tế khi tạo các dự án trong thế giới thực.

#2. FPGA dành cho lập trình viên phần mềm

Cuốn sách này giới thiệu cho các kỹ sư phần mềm về thế giới của FPGA và công nghệ có thể cấu hình lại. Cuốn sách bắt đầu bằng việc giới thiệu FPGA và mô hình lập trình của nó. Đây cũng là cuốn sách nên sử dụng nếu bạn muốn tìm hiểu cách FPGA triển khai các ứng dụng khác nhau mà không cần các quy trình thiết kế phần cứng cấp thấp.

Cuốn sách mang lại cảm giác thực tế về các vấn đề phù hợp với FPGA và cách thực hiện các giải pháp từ quan điểm của kỹ sư phần mềm. Cách tiếp cận hướng tới người dùng trong cuốn sách này giúp bạn dễ dàng hiểu được công nghệ FPGA được áp dụng ở đâu và như thế nào. Đối tượng độc giả của cuốn sách này là các nhà thiết kế phần mềm và kỹ sư thiết kế FPGA.

#3. Bắt đầu FPGA: Lập trình Metal

Cuốn sách này hướng dẫn độc giả cách sử dụng BeMicro MAX 10 để chế tạo cảm biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động, cảm biến nhiệt độ và màn hình ô tô KITT từ Knight Rider. Cuốn sách thân thiện với người mới bắt đầu và phù hợp với những người không có kỹ năng lập trình hoặc bằng kỹ sư điện tử.

Cuốn sách giới thiệu FPGA và giải thích sự khác biệt của chúng với vi điều khiển hoặc ASIC. Đây cũng là tài nguyên để giới thiệu cho bạn cách thiết lập chuỗi công cụ và sử dụng VHDL để lập trình FPGA. Cuốn sách lý tưởng cho những người đam mê điện tử và Raspberry Pi, những người muốn có phần giới thiệu thực tế về thế giới FPGA.

#4. Lập trình FPGA: Bắt đầu với Verilog

Cuốn sách này là hoàn hảo nếu bạn chưa bao giờ tương tác với Verilog và FPGA. Nếu lập trình FPGA là một thuật ngữ mới đối với bạn, đây là một nơi tốt để bắt đầu. Các mẫu điển hình, chẳng hạn như bộ đếm và màn hình 7 đoạn, sẽ giúp người học đi đúng hướng.

Cuốn sách giới thiệu cho người học về Verilog và đưa ra nhiều ví dụ trung gian khác nhau như VGA. Tài nguyên này có thể không lý tưởng nếu bạn đã có kiến ​​thức về Verilog và FPGA. Cuốn sách này có sẵn trong các phiên bản Kindle và Bìa mềm.

Phần kết luận

Đôi khi, FPGA có thể hoạt động tốt hơn GPU trong các ứng dụng học sâu với độ trễ thấp. Lập trình FPGA là một kỹ năng cần thiết vì FPGA có thể được sử dụng trong các ứng dụng điện tử tiêu dùng, tự động hóa công nghiệp và quân sự, trong số nhiều ứng dụng khác. FPGA vẫn đang phát triển và chúng ta chỉ có thể chờ xem chúng được tinh chỉnh cho nhiều trường hợp sử dụng hơn và hiệu suất tốt hơn.