Maailmade ühendamine: süvauurimine Pythonisse ja riistvara kirjelduskeeltesse FPGA programmeerimiseks

Laial tegevusväljal, mis on tehnoloogia, on tarkvaratehnika ja riistvarakujunduse domeenid sageli tundunud kui kaks eraldi kontinenti, mis räägivad erinevaid keeli ja tegutsevad erinevatel põhimõtetel. Tarkvaraarendajad õitsevad abstraktsiooni, kiire korduse ja tohutute teekide ökosüsteemide peal. Riistvarainsenerid töötavad füüsika jäikade seaduste, ajastuspiirangute ja loogikaväravate kirjeldamise hoolika protsessiga. Aastakümneid on sild nende maailmade vahel olnud kitsas ja raskesti ületatav, sillutatud keeruliste riistvara kirjelduskeeltega (HDLs) nagu VHDL ja Verilog.

Aga mis siis, kui seda silda saaks laiendada? Mis siis, kui tarkvaraarendajad saaksid kasutada oma olemasolevaid oskusi kohandatud riistvara kujundamiseks? Mis siis, kui riistvarainsenerid saaksid rakendada kõrgetasemelise ja väljendusrikka keele võimsust süsteemide ehitamiseks ja kontrollimiseks kiiremini kui kunagi varem? See ei ole hüpoteetiline tulevik; see on reaalsus, mida ehitatakse täna Pythoniga. See põhjalik juhend uurib Pythoni ja FPGA programmeerimise põnevat ristumiskohta, näidates, kuidas see alandab tõkkeid, kiirendab uuendusi ja muudab põhimõtteliselt seda, kuidas me digitaalset riistvara kujundame.

Põhitõdede mõistmine: Mis on FPGA-d ja HDL-id?

Enne kui me sukeldume Pythoni lähenemisviisi, on oluline luua kindel alus. Kui olete tarkvaraarendaja, võivad need kontseptsioonid olla uued, kuid need on aluskivi, millele meie arutelu on üles ehitatud.

Sissejuhatus FPGA-desse (väljal programmeeritavad väravamassiivid)

Kujutage ette, et teil on suur hulk põhielementide elektroonilisi komponente - loogikaväravaid (AND, OR, NOT), mälublokke ja programmeeritavaid ühendusi - kõik paigutatud ränikiibile. See on FPGA olemus. Erinevalt CPU-st või GPU-st, mille sisemine arhitektuur on tehases fikseeritud, on FPGA tühi lõuend. See on väljal programmeeritav, mis tähendab, et teie, disainer, saate määrata täpsed digitaalsed vooluringid, mis kiibil eksisteerivad pärast selle tootmist.

• Võrreldes CPU-ga: Keskprotsessor (CPU) on mõeldud järjestikuseks ülesannete täitmiseks. See hangib juhised ükshaaval ja töötleb neid fikseeritud riistvaraüksustega (nagu ALU või FPU). FPGA-d saab konfigureerida paljude toimingute paralleelseks tegemiseks, muutes selle erakordselt võimsaks ülesannete jaoks, mis saab jagada samaaegseteks torujuhtmeteks.
• Võrreldes GPU-ga: Graafikaprotsessor (GPU) on paralleelprotsessori spetsiaalne vorm, mis on optimeeritud teatud tüüpi andmete jaoks (graafika, maatriksmatemaatika). FPGA on üldotstarbelisem; saate ehitada täielikult kohandatud töötlemisarhitektuuri, mis on kohandatud täpselt teie algoritmile, ilma igasuguse üldkuluta.

See ümberkonfigureeritavus muudab FPGA-d uskumatult mitmekülgseks selliste rakenduste jaoks nagu:

• ASIC-ide prototüüpimine: Kiibi disaini testimine FPGA-l enne rakenduspõhise integraallülituse (ASIC) kalli tootmisprotsessi alustamist.
• Kõrgsageduslik kauplemine: Finantsalgoritmide käivitamine mikrosekundilise latentsusega.
• Digitaalne signaalitöötlus (DSP): Kohandatud filtrid ja protsessorid raadio, heli ja videovoogude jaoks.
• Kohandatud riistvara kiirendus: Arvutuslikult mahukate ülesannete mahalaadimine CPU-lt andmekeskustes ja manussüsteemides.

Riistvara kirjelduskeelte (HDL-ide) roll

Te ei joonista vooluringe käsitsi FPGA konfigureerimiseks. Selle asemel kirjeldage neid spetsiaalse keele - HDL-i - abil. See on tarkvaraarendajate jaoks kriitiline eristuspunkt: HDL ei kirjelda sammude jada; see kirjeldab füüsilist struktuuri ja selle käitumist aja jooksul.

Kui kirjutate tarkvarakeeles `c = a + b`, siis väljastate juhise. Kui kirjutate samaväärse HDL-is, siis kirjeldage liitringi olemasolu sisenditega `a` ja `b` ning väljundiga `c`. See vooluring eksisteerib püsivalt ja töötab pidevalt. See omane paralleelsus on nii riistvara disaini võimsuse kui ka keerukuse allikas.

Aastakümneid on tööstuses domineerinud kaks peamist HDL-i:

• VHDL (VHSIC riistvara kirjelduskeel): Ameerika Ühendriikide kaitseministeeriumi lepingust pärinev VHDL on tuntud oma tugeva tüübi ja verbaalse, kuid selgesõnalise süntaksi poolest. Seda eelistatakse sageli lennunduses, kaitsetööstuses ja muudes kõrge töökindlusega sektorites.
• Verilog: C-programmeerimiskeelt meenutava süntaksiga Verilogi peetakse sageli lühemaks ja see on laialt levinud kommertssemiconductor tööstuses. SystemVerilog on kaasaegne laiendus, mis lisab võimsaid funktsioone projekteerimiseks ja kontrollimiseks.

Traditsiooniline HDL töövoog: väljakutsed ja piirangud

Verilogi või VHDL-i abil kujundamise standardne protsess on range ja aeganõudev. See hõlmab mitmeastmelist protsessi, mis võib olla pettumust valmistav neile, kes on harjunud kaasaegsete tarkvaraarendustsüklitega.

1. Disaini sisestamine: Kirjutage HDL-kood, mis kirjeldab soovitud riistvaramooduleid.
2. Simulatsioon: Kirjutage eraldi HDL-testpink, et luua stiimuleid ja kontrollida oma disaini väljundeid simulaatoris. See on sageli iseenesest keeruline ülesanne.
3. Süntees: Kasutage sünteesitööriista, et tõlkida oma HDL-kirjeldus madala taseme loogikaväravate ja ühenduste esituseks, mida nimetatakse netinimekirjaks.
4. Paigutus ja marsruutimine: See automatiseeritud protsess võtab netinimekirja ja kaardistab selle siht-FPGA konkreetsetele ressurssidele, määrates kindlaks iga loogikaelemendi füüsilise asukoha ja marsruutides ühendused nende vahel.
5. Bitivoo genereerimine ja programmeerimine: Lõplik väljund on bitivoofail, binaarne konfiguratsioonifail, mis laaditakse FPGA-le, et teie disaini rakendada.

See töövoog pakub mitmeid väljakutseid, eriti uutele tulijatele:

• Järsk õppimiskõver: Süntaks ja, mis veelgi olulisem, HDL-ide samaaegne mõtteviis on tarkvarainseneride jaoks mitteintuitiivne.
• Verbaalne ja korduv kood: Keerukate, kuid korrapäraste struktuuride, näiteks suure registrifaili kirjeldamine võib nõuda sadu ridu boilerplaadikoodi.
• Piiratud abstraktsioon: Kuigi modulaarne disain on võimalik, on kõrgetasemeliste, parameetritavate ja korduvkasutatavate komponentide loomine oluliselt tülikam kui sellises keeles nagu Python.
• Fragmenteeritud tööriistaketid: Disaini- ja kontrollimisprotsess tugineb sageli kallitele, patenteeritud ja GUI-rasketele tööriistadele FPGA tarnijatelt nagu Xilinx (nüüd AMD) ja Intel (varem Altera).
• Raske kontrollimine: Põhjalike testpinkide kirjutamine traditsioonilistes HDL-ides on iseenesest distsipliin. Suurte disainide simuleerimine võib olla äärmiselt aeglane, mis toob kaasa pikad silumisperioodid.

Pythoni revolutsioon: kõrgetasemelised HDL-id ja kontrolliraamistikud

Siin astub lavale Python. Selle asemel, et kirjutada otse Verilogi või VHDL-i, saate kasutada Pythoni teeki oma riistvara kirjeldamiseks palju kõrgemal abstraktsioonitasemel. See lähenemisviis, mida sageli nimetatakse kõrgetasemeliseks HDL-iks või riistvara ehitusteegiks, kasutab Pythoni võimsaid funktsioone traditsioonilise HDL-koodi genereerimiseks väljundina.

Eelised on ümberkujundavad:

• Suurem tootlikkus: Kirjutage sama tulemuse saavutamiseks vähem koodi. Kasutage tuttavaid programmeerimiskonstruktsioone nagu tsüklid, funktsioonid ja klassid, et kirjeldada riistvara intuitiivsemalt.
• Võimas metaprogrammeerimine: Kuna kasutate Pythonit, saate kirjutada programme, mis kirjutavad riistvara disainilahendusi. Kas vajate protsessorit, millel on konfigureeritav arv torujuhtme etappe, või side tuuma, millel on muutuja arv kanaleid? Saate selle määratleda mõne parameetriga Pythoni skriptis, selle asemel et käsitsi ümber kirjutada sadu ridu Verilogi.
• Täiustatud kontrollimine: See on vaieldamatult kõige olulisem eelis. Saate kasutada kogu Pythoni ökosüsteemi oma riistvara disaini testimiseks. Raamistikke nagu pytest saab kasutada puhaste ja võimsate ühiku testide kirjutamiseks. Saate modelleerida oma süsteemi osi Pythonis, sööta andmeid failidest või võrgupesadest ja analüüsida tulemusi teekidega nagu NumPy ja Matplotlib - kõik ühes sidusas testkeskkonnas.
• Koodi taaskasutamine ja abstraktsioon: Looge keerukaid, parameetritavaid riistvarakomponente Pythoni klasside abil. See võimaldab ehitada usaldusväärsete IP (intellektuaalomandi) tuumade teeke, mida on lihtne konfigureerida ja integreerida.
• Ühtne keskkond: Piir riistvara simulatsiooni ja tarkvara modelleerimise vahel hägustub. Saate arendada ja testida oma riistvaraloogikat ja tarkvara, mis seda juhib, samas keskkonnas, lihtsustades kogu süsteemi disainiprotsessi.

Ülevaade Pythoni-põhistest HDL-i ja kontrolliraamistikest

Pythoni riistvara ökosüsteem on märkimisväärselt küpsenud, pakkudes mitmeid suurepäraseid avatud lähtekoodiga tööriistu. Uurime mõnda kõige silmapaistvamat.

Amaranth HDL: kaasaegne tööriistakomplekt

Amaranth (varem tuntud kui nMigen) on kaasaegne Pythoni-põhine HDL, mis on saavutanud märkimisväärse populaarsuse oma puhta disaini ja võimsate funktsioonide poolest. See käsitleb riistvara disaini digitaalse vooluringi mudeli ehitamise probleemina, mis seejärel töötatakse välja lõplikuks esituseks. See lähenemisviis väldib paljusid lõkse, kui proovite kaardistada imperatiivseid programmeerimiskontseptsioone riistvarale.

Põhifunktsioonid:

• Selge semantika: Selgesõnaline eraldamine Pythoni koodi vahel, mis genereerib disaini, ja riistvaraloogika vahel.
• Kombinatsiooniline ja sünkroonne loogika: Selge ja ohutu viis kahe põhilise digitaalloogika tüübi kirjeldamiseks.
• Integreeritud simulaator: Sisseehitatud simulaator võimaldab kiiret testimist otse Pythonis.
• Väljatöötamisaeg Python: Kasutage kogu Pythoni võimsust riistvara genereerimise faasis, et ehitada keerukaid, parameetritavaid disainilahendusi.

Näide: Lihtne vilkuv LED Amaranthis

See näide demonstreerib levinud "Tere, maailm!" FPGA-de jaoks. See loob loenduri, mis suureneb iga kella tsükliga. Kui loendur jõuab maksimaalse väärtuseni, pöörab see LED-i oleku ümber ja lähtestab.

            
# Märkus: See on kontseptuaalne näide. Eeldab plaati 12 MHz kellaga.
from amaranth import *
from amaranth.build import Platform

class Blinky(Elaboratable):
    def elaborate(self, platform: Platform) -> Module:
        m = Module()

        # Hankige LED-i tihvt plaadi platvormi määratlusest
        led = platform.request("led", 0)
        # Määratlege loenduri register. Suurus on valitud, et tagada ~1 sekundiline vilkumine.
        # 12,000,000 tsüklit / 2 = 6,000,000 tsüklit poolperioodi jaoks.
        # 2**22 on umbes 4.2 miljonit, 2**23 on umbes 8.4 miljonit.
        # Me kasutame 23-bitist loendurit.
        counter = Signal(23)

        # Määratlege kella domeen (tavaliselt "sync" peamise kella jaoks)
        with m.Domain("sync"):
            # Kui loendur jõuab 6,000,000-1-ni, lülitage LED sisse ja lähtestage loendur
            with m.If(counter == 6000000 - 1):
                m.d.sync += led.o.eq(~led.o)
                m.d.sync += counter.eq(0)
            # Muidu lihtsalt suurendage loendurit
            with m.Else():
                m.d.sync += counter.eq(counter + 1)

        return m

            

              
                Copy
              
            
          

MyHDL: veteran

MyHDL on üks varasemaid ja väljakujunenumaid Python HDL raamistikke. See läheneb Amaranthist erinevalt, kasutades Pythoni generaatoreid ja dekoraatoreid, et jäljendada Verilogi `always` blokkide struktuuri. See võib muuta selle tuttavamaks inseneridele, kellel on traditsiooniline HDL taust.

Põhifunktsioonid:

• VHDL-i ja Verilogi teisendamine: MyHDL-i peamine funktsioon on Pythoni kirjelduse teisendamine samaväärseks, inimloetavaks VHDL-i või Verilogi koodiks.
• Koos simulatsioon: Võimaldab simuleerida MyHDL-i disaini koos Verilogi mooduliga, kasutades professionaalseid simulaatoreid nagu Icarus Verilog.
• Protseduuriline stiil: Generaatorite (`yield`) kasutamine loob protsessile orienteeritud modelleerimisstiili, mis sarnaneb traditsioonilistele HDL-idele.

Näide: Loendur MyHDL-is

            
from myhdl import block, Signal, intbv, always, always_comb, instance

@block
def counter(clk, reset, count_out):
    """ Lihtne 8-bitine sünkroonne loendur """
    
    # Määratlege 8-bitine signaal (register) loendusväärtuse jaoks
    # intbv kasutatakse biti-vektori tüüpide jaoks
    count = Signal(intbv(0)[8:])

    # See dekoraator kirjeldab järjestikust (kellaga) protsessi
    @always(clk.posedge)
    def seq_logic():
        if reset == 1:
            count.next = 0
        else:
            count.next = count + 1

    # See dekoraator kirjeldab kombinatsioonilist (hetkelist) protsessi
    # See määrab sisemise loendusregistri väljundpordile
    @always_comb
    def comb_logic():
        count_out.next = count

    # Tagastage määratletud loogikaeksemplarid
    return seq_logic, comb_logic

            

              
                Copy
              
            
          

Cocotb: kontrollimise meister

Cocotb (COroutine COsimulation TestBench) ei ole HDL riistvara kujundamiseks, kuid see on vaieldamatult kõige mõjukam Pythoni tööriist FPGA ruumis. See on raamistik testpinkide kirjutamiseks Pythonis, et kontrollida olemasolevaid VHDL-i või Verilogi disainilahendusi.

Selle asemel, et kirjutada keerukat Verilogi testpinki, eksemplariseerite oma disaini ("Seade testimisel" või DUT) simulaatoris ja suhtlete sellega otse Pythoni skriptist. See avab kogu Pythoni ökosüsteemi kontrollimiseks.

Miks on see nii võimas?

• Andmete lugemine ja kirjutamine: Lugege hõlpsalt testvektoreid CSV-failist, genereerige keerukaid stiimuleid NumPy abil või isegi voogesitage andmeid võrgupesa kaudu oma DUT-i.
• Täiustatud kontrollimine: Kasutage Pythoni võimsaid väitevõimalusi ja andmeanalüüsiteeke keerukate väljundite kontrollimiseks.
• Siinifunktsioonimudelid (BFM-id): Looge korduvkasutatavaid Pythoni klasse standardsete sideprotokollide nagu AXI, I2C või SPI modelleerimiseks, muutes oma testid puhtamaks ja vastupidavamaks.
• Integreerimine Pytestiga: Cocotb integreerub sujuvalt `pytestiga`, võimaldades teil kasutusele võtta kaasaegsed tarkvara testimise tavad nagu parameetrilised testid ja kinnitused.

Paljude meeskondade jaoks on `cocotb` esimene ja kõige väärtuslikum samm Pythoni kasutamisel riistvaraarenduseks. See võimaldab neil oma kontrolliprotsessi dramaatiliselt parandada, muutmata oma peamist kujunduskeelt.

Praktiline töövoog: Pythonist programmeeritud FPGA-ni

Kuidas see kõik kokku tuleb? Vaatleme tüüpilist arendustöövoogu, kasutades kaasaegset Python HDL-i nagu Amaranth.

1. Disain Pythonis: Kirjutage oma riistvaramoodulid Pythoni klassidena, nagu eespool toodud `Blinky` näide. Kasutage Pythoni funktsioone, et muuta oma disain konfigureeritavaks ja puhtaks.
2. Simuleerige ja kontrollige Pythonis: Kirjutage testskript, kasutades Amaranthi sisseehitatud simulaatorit ja Pythoni `unittest` või `pytest` raamistikke. See võimaldab äärmiselt kiiret iteratsiooni, kuna saate vigu leida ja parandada ilma oma Pythoni keskkonnast lahkumata.
3. Genereerige Verilog (väljatöötamine): Kui olete oma disainis kindel, käivitage skript, mis ütleb teie Python HDL raamistikule teie disaini "väljatöötamine" ja väljastamine standardse Verilogi failina. Näiteks: `amaranth.cli.main(Blinky(), ports=[led])`.
4. Sünteesige, paigutage ja marsruutige: See samm kasutab tarnija või avatud lähtekoodiga tööriistakette. Saate eelmisel sammul genereeritud Verilogi faili tööriistadesse nagu Xilinx Vivado, Intel Quartus või avatud lähtekoodiga Yosys/nextpnr voog. See protsess on sageli automatiseeritud, kasutades ehitussüsteeme nagu `edalize` või Makefile'id.
5. Programmeerige FPGA: Tööriistakett genereerib lõpliku bitivoofaili. Kasutage tarnija programmeerimisutiliiti selle faili laadimiseks oma FPGA-le ja teie Pythoniga kirjeldatud riistvara ärkab ellu.

Python ja traditsioonilised HDL-id: sümbiootiline suhe

Oluline on vaadata Pythonit mitte kui Verilogi ja VHDL-i täielikku asendajat, vaid kui võimsat partnerit. Digitaalse disaini tulevik on hübriidne, kus insenerid kasutavad töö jaoks parimat tööriista. Siin on mõned levinud stsenaariumid:

• Täielik Pythoni disain: Uute projektide puhul, eriti teadusuuringute, idufirmade või harrastajate kontekstis, pakub kogu süsteemi kujundamine raamistikus nagu Amaranth maksimaalset tootlikkust.
• Cocotb pärand-IP jaoks: Kui teil on suur olemasolev VHDL-i või Verilogi koodibaas, ei pea te seda ümber kirjutama. Saate kohe väärtust, kirjutades oma testpinkid Pythonis `cocotb` abil, et luua vastupidavam kontrollkeskkond.
• Python süsteemi integreerimiseks: Kasutage Pythonit, et genereerida "liim loogika", mälukaardid ja siini ühendused, mis seovad olemasolevad, käsitsi kirjutatud IP tuumad. See automatiseerib ühe tüütuma ja vigadeterohkema kiipsüsteemi (SoC) disaini osa.
• Kõrgetasemeline algoritmide modelleerimine: Arendage ja täiustage keerukat algoritmi Pythonis. Kui see on tõestatud õigeks, kasutage Python HDL-i, et see süstemaatiliselt riistvaraliseks rakenduseks tõlkida, kasutades algset Pythoni mudelit kuldse viitena kontrollimisel.

Kes peaks kaaluma Pythonit FPGA arendamiseks?

See kaasaegne lähenemisviis riistvara disainile on laialdaselt atraktiivne erinevate rollide ja tööstusharude jaoks:

• Tarkvarainsenerid: Neile, kes soovivad oma rakendusi kohandatud riistvaraga kiirendada, pakub Python tuttavat sisenemispunkti, abstrakteerides suure osa traditsiooniliste HDL-ide madala taseme keerukusest.
• Teadlased ja teadlased: Prototüüpide kiire loomine ja uudsete arvutiarhitektuuride või signaalitöötlusalgoritmide testimine ilma täielikku riistvaratehnika õppekavasse kinni jäämata.
• Harrastajad ja tegijad: Odavad FPGA plaadid on nüüd laialdaselt saadaval. Python muudab valdkonna palju ligipääsetavamaks inimestele, kes soovivad katsetada digitaalloogika disainiga.
• Riistvarainsenerid: Kogenud digitaalsed disainerid saavad kasutada Pythonit tüütute ülesannete automatiseerimiseks, võimsamate ja korduvkasutatavate komponentide teekide ehitamiseks ning kontrollikeskkondade loomiseks, mis on suurusjärgu võrra võimsamad kui see, mis on võimalik traditsiooniliste HDL testpinkidega.

Järeldus: Tulevik on hübriidne ja produktiivne

Küsimus ei ole enam "Python versus Verilog." Küsimus on, kuidas neid intelligentselt kombineerida. Olenemata sellest, kas genereerite Verilogi kõrgetasemelisest Amaranthi kirjeldusest, testite oma VHDL-i `cocotb` abil või skriptite kogu oma tööriistaketti ühest Pythoni failist, kasutate te mõlema maailma parimaid võimalusi. Te ehitate laiemat ja tugevamat silda tarkvara kontinendi ja riistvara kontinendi vahel ning uuendused, mis seda silda ületavad, on alles algamas.

Kui olete tarkvaraarendaja, kes on uudishimulik metalli vastu, või riistvarainsener, kes otsib paremat töövoogu, pole kunagi olnud paremat aega Python FPGA programmeerimise maailma avastamiseks. Valige raamistik, haarake taskukohane FPGA plaat ja alustage tuleviku ehitamist.