FPGA Програмиране: Изчерпателен наръчник за Verilog и VHDL

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) са универсални интегрални схеми, които могат да бъдат преконфигурирани след производството. Тази гъвкавост ги прави от съществено значение за широк спектър от приложения, от високопроизводителни изчисления и телекомуникации до автомобилната и космическата индустрия по целия свят. Програмирането на FPGAs разчита в голяма степен на езици за описание на хардуер (HDLs), като Verilog и VHDL са доминиращите избори. Това ръководство предоставя изчерпателен преглед на FPGA програмирането, използвайки тези два езика, обслужващ както начинаещи, така и опитни инженери.

Разбиране на FPGAs и техните приложения

FPGAs предлагат значително предимство пред Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) поради тяхната възможност за препрограмиране. За разлика от ASICs, които са проектирани за конкретна функция и не могат да бъдат променени след производството, FPGAs могат да бъдат персонализирани за изпълнение на различни цифрови схеми. Тази адаптивност е от решаващо значение в бързо развиващите се технологични пейзажи, където изискванията често се променят. Помислете например за разработването на 5G комуникационни системи. FPGAs позволяват по-бързо прототипиране и внедряване на усъвършенствани алгоритми за обработка на сигнали в сравнение с традиционните цикли на разработка на ASIC. По същия начин, в автомобилната индустрия, FPGAs се използват в усъвършенствани системи за подпомагане на водача (ADAS) за осигуряване на обработка на сензорни данни в реално време, осигуряваща безопасност и ефективност.

Приложенията на FPGAs са огромни и продължават да растат:

• Телекомуникации: 5G базови станции, рутери и мрежови комутатори.
• Аерокосмическа отбрана: Радарни системи, авионика и сателитна комуникация.
• Автомобилна индустрия: ADAS, информационно-развлекателни системи и блокове за управление на двигателя.
• Индустриална автоматизация: Роботика, машинно зрение и програмируеми логически контролери (PLCs).
• Центрове за данни: Високопроизводителни изчисления, мрежово ускорение и решения за съхранение.
• Потребителска електроника: Обработка на изображения в камери и дисплеи.

Разбирането на основните принципи и методологии за програмиране е от ключово значение за ефективното използване на мощността на FPGAs. Това започва със солидна основа в HDLs.

Verilog vs. VHDL: Сравнителен преглед

Verilog и VHDL са двата основни HDLs, използвани за проектиране и програмиране на FPGAs. И двата езика са проектирани да описват поведението и структурата на цифровите схеми. Въпреки това, те се различават по синтаксис, философия и поддръжка на общността.

Verilog

Verilog е език за описание на хардуер, първоначално създаден през 1984 г. и по-късно стандартизиран от IEEE като IEEE 1364. Verilog е известен със своя кратък синтаксис, наподобяващ програмния език C. Това сходство често улеснява инженерите със софтуерен опит да научат и използват Verilog. Той набляга на лекотата на използване и предлага сравнително ясен подход за описание на хардуер. Езикът има голяма потребителска база и обширни ресурси са лесно достъпни в интернет, което улеснява намирането на отговори на вашите въпроси. Основните доставчици на FPGA като Xilinx и Intel предоставят изчерпателни инструменти и библиотеки за поддръжка на базирани на Verilog дизайни.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) е разработен в началото на 80-те години под инициативата на Министерството на отбраната на САЩ и по-късно стандартизиран от IEEE като IEEE 1076. VHDL е строго типизиран език с по-официален и структуриран синтаксис в сравнение с Verilog. Той предлага стабилни функции за проверка на дизайна и има силна поддръжка за симулация и синтез. Акцентът на VHDL върху строгите принципи на проектиране го прави подходящ за сложни проекти, където надеждността и поддръжката са от първостепенно значение. Езикът също така поддържа широка гама от стилове на проектиране, позволяващи на инженерите да описват поведението на хардуера по различни начини, включително структурно, поведенческо и моделиране на потока от данни. Той е също така международно признат и приет в Европа, Съединените щати и другаде, което прави разбирането му наложително за работа в международни екипи.

Изборът между Verilog и VHDL зависи до голяма степен от изискванията на проекта, предпочитанията на екипа и наличните ресурси. През последните години тенденцията се сближи с повече кръстосана поддръжка от доставчиците на EDA инструменти, което прави разликата по-малко очевидна. В повечето случаи най-добрият избор зависи от културата на компанията или проекта.

Първи стъпки с Verilog програмиране

Нека се задълбочим в основите на Verilog програмирането. Ще проучим синтаксиса и структурата чрез практически примери.

Основни принципи на Verilog синтаксиса

Verilog кодът е структуриран в модули. Модулът е основният градивен елемент на даден дизайн. Всеки модул има име, входни и изходни портове и описание на функционалността на схемата. Ето основен пример за проста AND врата:

module and_gate (
    input a, // Input signal a
    input b, // Input signal b
    output y  // Output signal y
);

    assign y = a & b; // Logical AND operation

endmodule

В този пример:

• module and_gate декларира модул, наречен 'and_gate'.
• input a, b и output y определят входните и изходните сигнали.
• assign y = a & b; описва поведението на AND вратата, където изходът 'y' е логическото AND на входовете 'a' и 'b'.

Типове данни в Verilog

Verilog поддържа няколко типа данни, които са от основно значение за цифровия дизайн:

• wire: Представлява физическа връзка между елементите на схемата.
• reg: Представлява елемент за съхранение, като например регистър.
• integer: Представлява цяло число със знак.
• real: Представлява число с плаваща запетая.
• parameter: Дефинира константи, използвани в дизайна.

Например:

wire data_in;
reg [7:0] data_out;
parameter WIDTH = 8;

Тук data_in е еднобитов проводник, data_out е 8-битов регистър и WIDTH е параметър със стойност 8. Тази възможност за деклариране на ширини с помощта на параметри, като например битовата ширина на шина за данни, насърчава четливостта, повторното използване и поддръжката на кода.

Поведенческо моделиране

Поведенческото моделиране описва функцията на схема, без да се посочва нейната структура, използвайки структурен дизайн. Той използва логически операции като assign изрази и процедурни блокове като always блокове.

module adder (
    input [3:0] a,
    input [3:0] b,
    output [3:0] sum
);

    always @(*) begin
        sum = a + b;
    end

endmodule

В този пример блокът always @(*) описва поведението на суматора: изходът `sum` е сумата на входовете 'a' и 'b'. Символът `*` означава, че процесът трябва да се изпълни, ако някоя от изброените стойности се промени. Този тип моделиране е много полезен за бързо внедряване на схема на високо ниво на абстракция.

Структурно моделиране

Структурното моделиране дефинира схема чрез свързване на предварително дефинирани компоненти. Той предлага ясен контрол върху взаимосвързаността на отделните порти, тригери и други основни блокове.

module full_adder (
    input a, b, cin,
    output sum, cout
);

    wire s1, c1, c2;

    xor u1 (s1, a, b);
    xor u2 (sum, s1, cin);
    and a1 (c1, a, b);
    and a2 (c2, s1, cin);
    or o1 (cout, c1, c2);

endmodule

Този пример дефинира пълен суматор, използвайки основни порти. Портите 'xor', 'and' и 'or' са инстанцирани и взаимосвързани, за да образуват пълния суматор. Този стил на проектиране е много полезен за директен контрол на архитектурата на цифрова схема.

Първи стъпки с VHDL програмиране

Нека се задълбочим в основите на VHDL програмирането, включително неговия синтаксис, структура и практически примери.

Основни принципи на VHDL синтаксиса

VHDL кодът е организиран в обекти и архитектури. Обектът дефинира външния интерфейс на модул (портове), докато архитектурата описва неговото вътрешно изпълнение.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity and_gate is
    port (
        a : in std_logic;
        b : in std_logic;
        y : out std_logic
    );
end and_gate;

architecture behavioral of and_gate is
begin
    y <= a and b;
end behavioral;

В този пример:

• library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; включва стандартната библиотека.
• entity and_gate декларира обект, наречен 'and_gate'.
• port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) дефинира входните и изходните сигнали. std_logic представлява еднобитов сигнал.
• architecture behavioral описва поведението на AND вратата.
• y <= a and b; изпълнява AND операцията.

Типове данни в VHDL

VHDL предлага богат набор от типове данни, които са от съществено значение за цифровия дизайн:

• std_logic: Представлява еднобитов сигнал (0, 1, X, Z и т.н.).
• std_logic_vector: Представлява многобитов сигнал.
• integer: Представлява цяло число.
• boolean: Представлява булева стойност (TRUE или FALSE).
• bit: Представлява единичен бит (0 или 1).

Например:

signal data_in : std_logic;
signal data_out : std_logic_vector(7 downto 0);
constant WIDTH : integer := 8;

Тук data_in е еднобитов сигнал, data_out е 8-битов сигнал и WIDTH е константа със стойност 8. Тези типове данни помагат на дизайнерите да изграждат по-сложни схеми, като представят данни и сигнали по надежден и добре дефиниран начин.

Поведенческо моделиране

Поведенческото моделиране във VHDL описва функционалното поведение на схема, използвайки процеси и едновременни изрази. Процесите съдържат последователни изрази, които се изпълняват, когато определени условия (сигнали) се променят. Процесът обикновено отговаря на входовете и актуализира съответно изходите.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.numeric_std.all;

entity adder is
    port (
        a : in std_logic_vector(3 downto 0);
        b : in std_logic_vector(3 downto 0);
        sum : out std_logic_vector(3 downto 0)
    );
end adder;

architecture behavioral of adder is
begin
    process (a, b)
    begin
        sum <= std_logic_vector(unsigned(a) + unsigned(b));
    end process;
end behavioral;

В този пример блокът process (a, b) описва поведението на суматора. Функцията unsigned() от библиотеката numeric_std се използва за преобразуване на типовете std_logic_vector в неподписан тип данни и по този начин за извършване на аритметика.

Структурно моделиране

Структурното моделиране описва схема чрез инстанциране и свързване на предварително дефинирани компоненти.

library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;

entity full_adder is
    port (
        a, b, cin : in std_logic;
        sum, cout : out std_logic
    );
end full_adder;

architecture structural of full_adder is
    component xor_gate
        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);
    end component;
    component and_gate
        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);
    end component;
    component or_gate
        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);
    end component;

    signal s1, c1, c2 : std_logic;
begin
    u1: xor_gate port map (a, b, s1);
    u2: xor_gate port map (s1, cin, sum);
    a1: and_gate port map (a, b, c1);
    a2: and_gate port map (s1, cin, c2);
    o1: or_gate port map (c1, c2, cout);
end structural;

В тази реализация на пълен суматор компонентите 'xor_gate', 'and_gate' и 'or_gate' са инстанцирани и взаимосвързани, осигурявайки ясен структурен изглед на схемата. Всеки инстанциран компонент трябва да бъде свързан с основния дизайн (архитектурата, която реализира този компонент), в противен случай ще възникне грешка.

FPGA Design Flow: От концепция до изпълнение

Процесът на проектиране на FPGA включва поредица от стъпки, от първоначалната спецификация на дизайна до окончателното изпълнение на FPGA устройството. Този процес осигурява ефективен дизайн и намалява шансовете за грешки.

1. Спецификация на дизайна

Първата стъпка е да се дефинират изискванията и функционалността на дизайна. Това включва определяне на входовете, изходите и желаното поведение на схемата. Това включва отговор на ключовите въпроси: какъв проблем се опитвате да решите? Какви входове имате? Какви изходи са ви необходими? Какви са изискванията за времето? Отговорът на тези въпроси формира спецификациите за дизайна.

2. RTL Кодиране (Verilog или VHDL)

Дизайнът след това се описва с помощта на HDL (Verilog или VHDL). Тази стъпка включва преобразуване на спецификациите на дизайна в код, който описва поведението и структурата на схемата. Изборът на език (Verilog или VHDL) зависи от изискванията на проекта и предпочитанията на инженера, както беше обсъдено по-рано. Това е мястото, където влизат в действие примерите, които разгледахме. Това е мястото, където използваме това, което знаем за поведенческото или структурното моделиране и други концепции на езика, за да преведем дизайна в редове HDL код.

3. Симулация

Симулацията е решаваща стъпка за проверка на функционалността на дизайна. Инструментите за симулация, като ModelSim и Vivado Simulator, използват тестови пейки, за да симулират дизайна и да проверят неговата производителност при различни входни условия. Това помага при идентифицирането и коригирането на грешки в дизайна преди внедряването на хардуера. Често ще се озовете в процеса на отстраняване на грешки в HDL кода в симулацията, за да сте сигурни, че той се държи както се очаква.

4. Синтез

Синтезът преобразува HDL кода в нетен списък от основни логически порти и взаимовръзки. Инструментите за синтез, предоставени от доставчици на FPGA като Xilinx и Intel, оптимизират дизайна за целевото FPGA устройство, като вземат предвид ограничения като време и площ. Този етап определя какво всъщност ще направи FPGA, когато бъде внедрена.

5. Изпълнение (Place & Route)

Изпълнението включва поставяне на логическите порти и взаимовръзки върху физическите ресурси на FPGA и маршрутизиране на взаимовръзките. Тази стъпка е от решаващо значение за постигане на желаната производителност и гарантиране, че дизайнът отговаря на времевите ограничения. Инструментите за оптимизация се използват на този етап.

6. Генериране на Bitstream

След изпълнението се генерира bitstream файл. Този файл съдържа данните за конфигурация, необходими за програмиране на FPGA устройството. След това това се използва за зареждане на FPGA чипа с дизайна.

7. Хардуерно тестване и отстраняване на грешки

Последната стъпка включва тестване на внедрения дизайн на FPGA хардуера. Това изисква свързване на FPGA към външни компоненти и проверка на неговата функционалност. Инструментите и техниките за отстраняване на грешки се използват за идентифициране и разрешаване на всякакви хардуерни проблеми.

Разширени концепции в FPGA програмирането

След като се запознаете с основите на Verilog и VHDL програмирането, можете да проучите разширени концепции, за да подобрите възможностите си за проектиране и да оптимизирате производителността.

1. State Machines

State machines са основни за прилагане на последователна логика в цифрови дизайни. Те се използват за контролиране на работата на схема във времето. Разбирането на state machines и техния дизайн с HDL е основно умение за много FPGA приложения.

2. Clock Domain Crossing (CDC)

Когато различни части от даден дизайн работят на различни тактови честоти, е от решаващо значение да се обработва правилно clock domain crossing (CDC), за да се избегне метастабилност и повреда на данните. Това изисква внедряване на техники за синхронизация, като например използване на синхронизатори и FIFOs.

3. Finite Impulse Response (FIR) Филтри

FIR филтрите се използват широко в приложения за обработка на сигнали. HDL-базираният FIR филтърен дизайн включва изпълнение на специфични алгоритми в хардуер за филтриране на шум или фокусиране върху сигнали от интерес.

4. Memory Interfaces

Интерфейсът с външни устройства за памет, като например SRAM или DDR SDRAM, е често срещано изискване в FPGA дизайните. Това включва проектиране на контролери на паметта, които могат ефективно да четат и записват данни в паметта.

5. IP Cores

IP (Intellectual Property) cores са предварително проектирани и предварително проверени блокове от цифрова логика, които могат да бъдат интегрирани в FPGA дизайн. Използването на IP cores ускорява разработването и намалява усилията за проектиране. Често срещани примери включват Ethernet контролери, USB интерфейси и DSP блокове.

Най-добри практики за FPGA програмиране

Следването на най-добрите практики може да помогне за подобряване на качеството, производителността и поддръжката на вашите FPGA дизайни.

• Използвайте последователен стил на кодиране: Приемете последователен стил на кодиране (напр. отстъпи, конвенции за именуване) за четливост и поддръжка.
• Пишете модулен код: Разделете сложните дизайни на по-малки, многократно използваеми модули.
• Коментирайте старателно кода: Добавете ясни и кратки коментари, за да обясните функционалността на всеки модул, сигнал и процес.
• Използвайте ефективно симулацията: Извършете задълбочени симулации, за да проверите функционалността на вашия дизайн и да хванете грешки рано.
• Прилагайте тестови пейки: Разработете изчерпателни тестови пейки, за да симулирате различни сценарии и да тествате стабилността на дизайна.
• Следвайте времевите ограничения: Спазвайте времевите ограничения, за да сте сигурни, че дизайнът отговаря на изискванията за производителност.
• Оптимизирайте използването на ресурсите: Оптимизирайте дизайна за целевото FPGA устройство, за да сведете до минимум използването на ресурсите (напр. LUTs, тригери, памет).
• Преглеждайте дизайните: Накарайте кода си да бъде прегледан от колеги, за да идентифицирате потенциални проблеми и да подобрите качеството.
• Използвайте контрол на версиите: Приложете системи за контрол на версиите (напр. Git), за да проследявате промените и да управлявате различни версии на вашия дизайн.

FPGA Инструменти за програмиране и среди за разработка

Налични са различни инструменти и среди за разработка за поддръжка на процеса на проектиране на FPGA. Някои от най-популярните включват:

• Xilinx Vivado: Цялостна среда за проектиране за Xilinx FPGAs, включително инструменти за симулация, синтез и изпълнение. (Xilinx, компания, базирана в САЩ, поддържа глобален дизайн).
• Intel Quartus Prime: Цялостна среда за проектиране за Intel (по-рано Altera) FPGAs, предлагаща също инструменти за симулация, синтез и изпълнение. (Intel, друга компания, базирана в САЩ, и основен играч на световния пазар).
• ModelSim/QuestaSim: Широко използван инструмент за симулация за Verilog и VHDL дизайни.
• Active-HDL: Друг популярен инструмент за HDL симулация и проектиране.
• GHDL: Безплатен и с отворен код VHDL компилатор.

Ресурси за изучаване на FPGA програмиране

Има много ресурси, налични, за да ви помогнат да научите и подобрите уменията си в FPGA програмирането:

• Документация на доставчика на FPGA: Xilinx и Intel предоставят обширна документация, включително ръководства за потребителя, бележки за приложения и уроци.
• Онлайн курсове: Платформи като Coursera, edX и Udemy предлагат различни курсове за FPGA програмиране.
• Книги: Многобройни книги обхващат Verilog, VHDL и FPGA методологии за проектиране.
• Форуми и общности: Онлайн форуми и общности, като Stack Overflow и FPGA свързани подредити, предоставят ценна подкрепа и възможности за сътрудничество.
• Уроци и примери: Уебсайтове и блогове, посветени на FPGA програмирането, предлагат уроци и практически примери.

Заключение

FPGA програмирането с Verilog и VHDL е предизвикателна, но възнаграждаваща област. FPGAs предлагат гъвкавост и производителност, което ги прави подходящи за широк спектър от приложения. Това ръководство предостави преглед на ключовите концепции, инструменти и методологии, включени в FPGA дизайна. Независимо дали сте студент, инженер или изследовател, разбирането на FPGA програмирането е от решаващо значение за разработването на авангардни цифрови системи.

Тъй като технологията продължава да се развива, FPGAs ще продължат да играят жизненоважна роля в различни индустрии в световен мащаб. Овладяването на HDLs като Verilog и VHDL ще ви осигури необходимите умения за проектиране и внедряване на иновативни решения за бъдещето. Следвайки най-добрите практики, използвайки наличните ресурси и непрекъснато разширявайки знанията си, можете да станете опитен в динамичния свят на FPGA програмирането.