FPGA programmeerimine: põhjalik juhend Verilogi ja VHDL-i kohta

Väljal Programmeeritavad Loogilised Massiivid (FPGA-d) on mitmekülgsed integraallülitused, mida saab pärast tootmist ümber konfigureerida. See paindlikkus muudab need oluliseks paljude rakenduste jaoks, alates suure jõudlusega andmetöötlusest ja telekommunikatsioonist kuni autotööstuse ja lennunduseni kogu maailmas. FPGA-de programmeerimine tugineb suuresti Riistvara Kirjeldamise Keeltele (HDL), kusjuures Verilog ja VHDL on domineerivad valikud. See juhend annab põhjaliku ülevaate FPGA programmeerimisest nende kahe keele abil, sobides nii algajatele kui ka kogenud inseneridele.

FPGA-de ja nende rakenduste mõistmine

FPGA-d pakuvad olulist eelist rakenduspõhiste integraallülituste (ASIC-id) ees tänu nende ümberprogrammeeritavusele. Erinevalt ASIC-utest, mis on loodud spetsiifiliseks funktsiooniks ja mida ei saa pärast valmistamist muuta, saab FPGA-sid kohandada erinevate digitaalahelate rakendamiseks. See kohandatavus on ülioluline kiiresti arenevatel tehnoloogilistel maastikel, kus nõuded sageli muutuvad. Mõelgem näiteks 5G kommunikatsioonisüsteemide arendamisele. FPGA-d võimaldavad kiiremat prototüüpimist ja täiustatud signaalitöötlusalgoritmide juurutamist võrreldes traditsiooniliste ASIC-arendustsüklitega. Samamoodi kasutatakse autotööstuses FPGA-sid täiustatud juhiabisüsteemides (ADAS) andurite andmete reaalajas töötlemiseks, tagades ohutuse ja tõhususe.

FPGA-de rakendused on laialdased ja kasvavad pidevalt:

• Telekommunikatsioon: 5G tugijaamad, ruuterid ja võrgulülitid.
• Lennundus ja kaitse: Radarsüsteemid, avioonika ja satelliitside.
• Autotööstus: ADAS, infosüsteemid ja mootori juhtseadmed.
• Tööstusautomaatika: Robootika, masinnägemine ja programmeeritavad loogikakontrollerid (PLC-d).
• Andmekeskused: Suure jõudlusega andmetöötlus, võrgu kiirendus ja salvestuslahendused.
• Tarbetelektroonika: Pilditöötlus kaamerates ja ekraanidel.

Aluspõhimõtete ja programmeerimismetoodikate mõistmine on FPGA-de võimsuse tõhusaks ärakasutamiseks võtmetähtsusega. See algab tugeva HDL-i alusega.

Verilog vs. VHDL: võrdlev ülevaade

Verilog ja VHDL on kaks peamist HDL-i, mida kasutatakse FPGA-de projekteerimiseks ja programmeerimiseks. Mõlemad keeled on loodud digitaalahelate käitumise ja struktuuri kirjeldamiseks. Siiski erinevad need süntaksi, filosoofia ja kogukonna toe poolest.

Verilog

Verilog on riistvara kirjeldamise keel, mis loodi algselt 1984. aastal ja hiljem standardiseeriti IEEE poolt kui IEEE 1364. Verilog on tuntud oma lühikese süntaksi poolest, mis sarnaneb C programmeerimiskeelega. See sarnasus muudab Verilogi õppimise ja kasutamise tarkvarataustaga inseneridele sageli lihtsamaks. See rõhutab kasutusmugavust ja pakub suhteliselt lihtsat lähenemist riistvara kirjeldamisele. Keelel on suur kasutajaskond ja laialdased ressursid on Internetis kergesti kättesaadavad, mis muudab teie päringutele vastuste leidmise lihtsamaks. Suured FPGA müüjad, nagu Xilinx ja Intel, pakuvad põhjalikke tööriistu ja teeke Verilogil põhinevate disainide toetamiseks.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) arendati 1980. aastate alguses USA Kaitseministeeriumi algatusel ja hiljem standardiseeriti IEEE poolt kui IEEE 1076. VHDL on tugevalt tüübitud keel, millel on Verilogiga võrreldes formaalsem ja struktureeritum süntaks. See pakub tugevaid funktsioone disaini verifitseerimiseks ning omab tugevat tuge simulatsioonile ja sünteesile. VHDL-i rõhuasetus rangetele disainipõhimõtetele muudab selle sobivaks keerukate projektide jaoks, kus usaldusväärsus ja hooldatavus on esmatähtsad. Keel toetab ka laia valikut disainistiile, võimaldades inseneridel kirjeldada riistvara käitumist mitmel viisil, sealhulgas struktuurilise, käitumusliku ja andmevoo modelleerimisega. See on ka rahvusvaheliselt tunnustatud ja vastu võetud Euroopas, Ameerika Ühendriikides ja mujal, muutes selle mõistmise hädavajalikuks rahvusvahelistes meeskondades töötamiseks.

Verilogi ja VHDL-i vahel valik sõltub suuresti projekti nõuetest, meeskonna eelistustest ja saadaolevatest ressurssidest. Viimastel aastatel on tendents lähenenud, kus EDA tööriistade müüjad pakuvad rohkem risttuge, muutes erinevuse vähem märgatavaks. Enamikul juhtudel sõltub parim valik ettevõtte või projekti kultuurist.

Alustamine Verilog programmeerimisega

Süvenegem Verilog programmeerimise põhitõdedesse. Uurime süntaksit ja struktuuri praktiliste näidete abil.

Verilogi süntaksi alused

Verilogi kood on struktureeritud mooduliteks. Moodul on disaini põhituum. Igal moodulil on nimi, sisend- ja väljundpordid ning ahela funktsionaalsuse kirjeldus. Siin on lihtne näide tavalise AND-värava kohta:

\nmodule and_gate (\n    input a, // Sisendsignaal a\n    input b, // Sisendsignaal b\n    output y  // Väljundsignaal y\n);\n\n    assign y = a & b; // Loogiline JA tehe\n\nendmodule\n

Selles näites:

• module and_gate deklareerib mooduli nimega 'and_gate'.
• input a, b ja output y defineerivad sisend- ja väljundsignaalid.
• assign y = a & b; kirjeldab AND-värava käitumist, kus väljund 'y' on sisendite 'a' ja 'b' loogiline AND.

Andmetüübid Verilogis

Verilog toetab mitmeid andmetüüpe, mis on digitaalse disaini jaoks fundamentaalsed:

• wire: Esindab füüsilist ühendust ahela elementide vahel.
• reg: Esindab salvestuselementi, näiteks registrit.
• integer: Esindab märgiga täisarvu.
• real: Esindab ujukomaarvu.
• parameter: Defineerib disainis kasutatavaid konstante.

Näiteks:

\nwire data_in;\nreg [7:0] data_out;\nparameter WIDTH = 8;\n

Siin on data_in ühebitine juhe, data_out on 8-bitine register ja WIDTH on parameeter väärtusega 8. See võime deklareerida laiuseid parameetrite abil, näiteks andmesiini bitilaius, soodustab loetavust, taaskasutatavust ja koodi hooldatavust.

Käitumuslik modelleerimine

Käitumuslik modelleerimine kirjeldab ahela funktsiooni, määramata selle struktuuri struktuurse disaini abil. See kasutab loogikaoperatsioone, nagu assign laused ja protseduurilised plokid nagu always plokid.

\nmodule adder (\n    input [3:0] a,\n    input [3:0] b,\n    output [3:0] sum\n);\n\n    always @(*) begin\n        sum = a + b;\n    end\n\nendmodule\n

Selles näites kirjeldab always @(*) plokk liitja käitumist: `sum` väljund on sisendite 'a' ja 'b' summa. `*` tähendab, et protsess peaks käivituma, kui mõni loetletud väärtustest muutub. Seda tüüpi modelleerimine on väga kasulik ahela kiireks rakendamiseks kõrgel abstraktsioonitasandil.

Struktuuriline modelleerimine

Struktuuriline modelleerimine defineerib ahela eeldefineeritud komponentide ühendamise teel. See pakub otsest kontrolli üksikute väravate, bistabiilsete elementide ja teiste fundamentaalsete plokkide ühendamise üle.

\nmodule full_adder (\n    input a, b, cin,\n    output sum, cout\n);\n\n    wire s1, c1, c2;\n\n    xor u1 (s1, a, b);\n    xor u2 (sum, s1, cin);\n    and a1 (c1, a, b);\n    and a2 (c2, s1, cin);\n    or o1 (cout, c1, c2);\n\nendmodule\n

See näide defineerib täisliitja, kasutades põhiväravaid. 'xor', 'and' ja 'or' väravad on instantsitud ja omavahel ühendatud, et moodustada täielik liitja. See disainistiil on väga kasulik digitaalse ahela arhitektuuri otseseks kontrollimiseks.

Alustamine VHDL programmeerimisega

Süvenegem VHDL programmeerimise põhitõdedesse, sealhulgas selle süntaksisse, struktuuri ja praktilistesse näidetesse.

VHDL süntaksi alused

VHDL kood on organiseeritud entiteetideks ja arhitektuurideks. Entiteet defineerib mooduli välise liidese (pordid), samal ajal kui arhitektuur kirjeldab selle sisemist implementatsiooni.

\nlibrary ieee;\nuse ieee.std_logic_1164.all;\n\nentity and_gate is\n    port (\n        a : in std_logic;\n        b : in std_logic;\n        y : out std_logic\n    );\nend and_gate;\n\narchitecture behavioral of and_gate is\nbegin\n    y <= a and b;\nend behavioral;\n

Selles näites:

• library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; hõlmab standardteeki.
• entity and_gate deklareerib entiteedi nimega 'and_gate'.
• port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) defineerib sisend- ja väljundsignaalid. std_logic esindab ühebitist signaali.
• architecture behavioral kirjeldab AND-värava käitumist.
• y <= a and b; rakendab AND operatsiooni.

Andmetüübid VHDL-is

VHDL pakub rikkalikku andmetüüpide komplekti, mis on digitaalse disaini jaoks olulised:

• std_logic: Esindab ühebitist signaali (0, 1, X, Z jne).
• std_logic_vector: Esindab mitmebitist signaali.
• integer: Esindab täisarvu.
• boolean: Esindab tõeväärtust (TRUE või FALSE).
• bit: Esindab ühte bitti (0 või 1).

Näiteks:

\nsignal data_in : std_logic;\nsignal data_out : std_logic_vector(7 downto 0);\nconstant WIDTH : integer := 8;\n

Siin on data_in ühebitine signaal, data_out on 8-bitine signaal ja WIDTH on konstant väärtusega 8. Need andmetüübid aitavad disaineritel luua keerukamaid ahelaid, esindades andmeid ja signaale usaldusväärsel ja hästi määratletud viisil.

Käitumuslik modelleerimine

Käitumuslik modelleerimine VHDL-is kirjeldab ahela funktsionaalset käitumist protsesside ja samaaegsete lausete abil. Protsessid sisaldavad järjestikuseid lauseid, mis käivituvad teatud tingimuste (signaalide) muutumisel. Protsess reageerib tavaliselt sisenditele ja värskendab väljundeid vastavalt.

\nlibrary ieee;\nuse ieee.std_logic_1164.all;\nuse ieee.numeric_std.all;\n\nentity adder is\n    port (\n        a : in std_logic_vector(3 downto 0);\n        b : in std_logic_vector(3 downto 0);\n        sum : out std_logic_vector(3 downto 0)\n    );\nend adder;\n\narchitecture behavioral of adder is\nbegin\n    process (a, b)\n    begin\n        sum <= std_logic_vector(unsigned(a) + unsigned(b));\n    end process;\nend behavioral;\n

Selles näites kirjeldab process (a, b) plokk liitja käitumist. Funktsiooni unsigned() teegist numeric_std kasutatakse std_logic_vector tüüpide teisendamiseks märgita andmetüübiks ja seega aritmeetiliste operatsioonide teostamiseks.

Struktuuriline modelleerimine

Struktuuriline modelleerimine kirjeldab ahelat eeldefineeritud komponentide instantsimise ja ühendamise teel.

\nlibrary ieee;\nuse ieee.std_logic_1164.all;\n\nentity full_adder is\n    port (\n        a, b, cin : in std_logic;\n        sum, cout : out std_logic\n    );\nend full_adder;\n\narchitecture structural of full_adder is\n    component xor_gate\n        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);\n    end component;\n    component and_gate\n        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);\n    end component;\n    component or_gate\n        port (i1, i2 : in std_logic; o : out std_logic);\n    end component;\n\n    signal s1, c1, c2 : std_logic;\nbegin\n    u1: xor_gate port map (a, b, s1);\n    u2: xor_gate port map (s1, cin, sum);\n    a1: and_gate port map (a, b, c1);\n    a2: and_gate port map (s1, cin, c2);\n    o1: or_gate port map (c1, c2, cout);\nend structural;\n

Selles täisliitja implementatsioonis on 'xor_gate', 'and_gate' ja 'or_gate' komponendid instantsitud ja omavahel ühendatud, pakkudes ahelast selget struktuurset vaadet. Iga instantsitud komponent peab olema lingitud aluseks oleva disainiga (arhitektuuriga, mis seda komponenti rakendab), vastasel juhul tekib viga.

FPGA disainivool: kontseptsioonist implementatsioonini

FPGA disainivool hõlmab mitmeid etappe, alates esialgsest disaini spetsifikatsioonist kuni lõpliku implementatsioonini FPGA seadmel. See protsess tagab tõhusa disaini ja vähendab vigade tekkimise tõenäosust.

1. Disaini spetsifikatsioon

Esimene samm on disaini nõuete ja funktsionaalsuse määratlemine. See hõlmab ahela sisendite, väljundite ja soovitud käitumise kindlaksmääramist. See hõlmab vastamist põhiküsimustele: millist probleemi proovite lahendada? Millised sisendid teil on? Milliseid väljundeid te vajate? Millised on ajastuse nõuded? Vastused neile küsimustele moodustavad disaini spetsifikatsioonid.

2. RTL kodeerimine (Verilog või VHDL)

Seejärel kirjeldatakse disaini, kasutades HDL-i (Verilog või VHDL). See etapp hõlmab disaini spetsifikatsioonide tõlkimist koodiks, mis kirjeldab ahela käitumist ja struktuuri. Keele valik (Verilog või VHDL) sõltub projekti nõuetest ja inseneri eelistustest, nagu varem arutatud. Siin tulevad mängu meie käsitletud näited. Siin kasutame oma teadmisi käitumuslikust või struktuursest modelleerimisest ja teisi keele kontseptsioone, et tõlkida disain HDL-koodi ridadeks.

3. Simulatsioon

Simulatsioon on oluline samm disaini funktsionaalsuse kontrollimiseks. Simulatsioonitööriistad, nagu ModelSim ja Vivado Simulator, kasutavad testpinge disaini simuleerimiseks ja selle jõudluse kontrollimiseks erinevates sisendtingimustes. See aitab tuvastada ja parandada disainivigu enne riistvarale implementeerimist. Sageli avastate end simulatsioonis HDL-koodi silumas, et tagada selle ootuspärane toimimine.

4. Süntees

Süntees tõlgib HDL-koodi põhiliste loogikaväravate ja ühenduste võrgustikuks. Sünteesitööriistad, mida pakuvad FPGA müüjad nagu Xilinx ja Intel, optimeerivad disaini siht-FPGA seadme jaoks, võttes arvesse piiranguid nagu ajastus ja ala. See etapp määrab, mida FPGA tegelikult implementeerimisel teeb.

5. Implementatsioon (Paigutus ja Marsruutimine)

Implementatsioon hõlmab loogikaväravate ja ühenduste paigutamist FPGA füüsilistele ressurssidele ning ühenduste marsruutimist. See samm on kriitilise tähtsusega soovitud jõudluse saavutamiseks ja disaini ajastuse piirangute täitmise tagamiseks. Selles etapis kasutatakse optimeerimistööriistu.

6. Bitivoo genereerimine

Pärast implementeerimist genereeritakse bitivoo fail. See fail sisaldab konfiguratsiooniandmeid, mis on vajalikud FPGA seadme programmeerimiseks. Seda kasutatakse seejärel FPGA kiibi disainiga laadimiseks.

7. Riistvara testimine ja silumine

Viimane samm hõlmab implementeeritud disaini testimist FPGA riistvaral. See nõuab FPGA ühendamist väliste komponentidega ja selle funktsionaalsuse kontrollimist. Riistvaraga seotud probleemide tuvastamiseks ja lahendamiseks kasutatakse silumistööriistu ja tehnikaid.

Edasijõudnud kontseptsioonid FPGA programmeerimises

Kui olete Verilogi ja VHDL-i programmeerimise põhitõdedega tuttav, saate uurida edasijõudnud kontseptsioone, et oma disainivõimalusi parandada ja jõudlust optimeerida.

1. Olekuautomaadid

Olekuautomaadid on fundamentaalsed järjestikuse loogika implementeerimiseks digitaalsetes disainides. Neid kasutatakse ahela töö juhtimiseks aja jooksul. Olekuautomaatide ja nende disaini mõistmine HDL-iga on oluline oskus paljude FPGA rakenduste jaoks.

2. Kella domeeni ületamine (CDC)

Kui disaini erinevad osad töötavad erinevatel taktisagedustel, on oluline käsitleda taktidomeeni ületamist (CDC) korrektselt, et vältida metastabiilsust ja андмеte korruptsiooni. See nõuab sünkroniseerimistehnikate rakendamist, näiteks sünkronisaatorite ja FIFO-de kasutamist.

3. Lõpliku impulssvastusega (FIR) filtrid

FIR-filtrid on laialdaselt kasutusel signaalitöötlusrakendustes. HDL-põhine FIR-filtri disain hõlmab spetsiifiliste algoritmide implementeerimist riistvaras, et filtreerida müra või keskenduda huvipakkuvatele signaalidele.

4. Mälu liidesed

Väliste mäluseadmetega, nagu SRAM või DDR SDRAM, liidestamine on FPGA disainides tavaline nõue. See hõlmab mälukontrollerite projekteerimist, mis suudavad andmeid mällu tõhusalt lugeda ja kirjutada.

5. IP tuumad

IP (Intellectual Property) tuumad on eelprojekteeritud ja eelkontrollitud digitaalse loogika plokid, mida saab integreerida FPGA disaini. IP tuumade kasutamine kiirendab arendust ja vähendab disainitööd. Levinumate näidete hulka kuuluvad Etherneti kontrollerid, USB-liidesed ja DSP-plokid.

Parimad tavad FPGA programmeerimisel

Parimate tavade järgimine aitab parandada teie FPGA disainide kvaliteeti, jõudlust ja hooldatavust.

• Kasuta ühtset kodeerimisstiili: Võta kasutusele ühtne kodeerimisstiil (nt taanded, nimetamisreeglid) loetavuse ja hooldatavuse parandamiseks.
• Kirjuta modulaarne kood: Jaota keerukad disainid väiksemateks, taaskasutatavateks mooduliteks.
• Kommenteeri koodi põhjalikult: Lisa selged ja lühikesed kommentaarid iga mooduli, signaali ja protsessi funktsionaalsuse selgitamiseks.
• Kasuta simulatsiooni tõhusalt: Teosta põhjalikud simulatsioonid oma disaini funktsionaalsuse kontrollimiseks ja vigade varajaseks tabamiseks.
• Implementeeri testpinge: Arenda välja põhjalikud testpingid erinevate stsenaariumide simuleerimiseks ja disaini vastupidavuse testimiseks.
• Järgi ajastuspiiranguid: Järgi ajastuspiiranguid, et tagada disaini vastavus jõudluse nõuetele.
• Optimeeri ressursikasutust: Optimeeri disain siht-FPGA seadme jaoks, et minimeerida ressursikasutust (nt LUT-id, flip-flopid, mälu).
• Vaata disainid üle: Lase oma kood kaaslastel üle vaadata, et tuvastada potentsiaalsed probleemid ja parandada kvaliteeti.
• Kasuta versioonihaldust: Rakenda versioonihaldussüsteeme (nt Git) muudatuste jälgimiseks ja oma disaini erinevate versioonide haldamiseks.

FPGA programmeerimise tööriistad ja arenduskeskkonnad

FPGA disainivoolu toetamiseks on saadaval mitmesuguseid tööriistu ja arenduskeskkondi. Mõned populaarseimad on:

• Xilinx Vivado: Põhjalik disainikeskkond Xilinxi FPGA-dele, mis sisaldab simulatsiooni-, sünteesi- ja implementeerimistööriistu. (Xilinx, USA-s asuv ettevõte, toetab globaalset disaini).
• Intel Quartus Prime: Põhjalik disainikeskkond Inteli (endine Altera) FPGA-dele, pakkudes samuti simulatsiooni-, sünteesi- ja implementeerimistööriistu. (Intel, veel üks USA-s asuv ettevõte ja suur tegija globaalsel turul).
• ModelSim/QuestaSim: Laialdaselt kasutatav simulatsioonitööriist Verilogi ja VHDL-i disainide jaoks.
• Active-HDL: Teine populaarne HDL simulatsiooni- ja disainitööriist.
• GHDL: Tasuta ja avatud lähtekoodiga VHDL kompilaator.

Ressursid FPGA programmeerimise õppimiseks

FPGA programmeerimise oskuste õppimiseks ja parandamiseks on saadaval palju ressursse:

• FPGA müüjate dokumentatsioon: Xilinx ja Intel pakuvad laialdast dokumentatsiooni, sealhulgas kasutusjuhendeid, rakendusmärkmeid ja õpetusi.
• Veebikursused: Platvormid nagu Coursera, edX ja Udemy pakuvad erinevaid FPGA programmeerimise kursusi.
• Raamatud: Paljud raamatud käsitlevad Verilogi, VHDL-i ja FPGA disainimetoodikaid.
• Foorumid ja kogukonnad: Veebifoorumid ja kogukonnad, nagu Stack Overflow ja FPGA-ga seotud subreditid, pakuvad väärtuslikku tuge ja koostöövõimalusi.
• Õpetused ja näited: FPGA programmeerimisele pühendatud veebisaidid ja blogid pakuvad õpetusi ja praktilisi näiteid.

Kokkuvõte

FPGA programmeerimine Verilogi ja VHDL-iga on keeruline, kuid tasuv valdkond. FPGA-d pakuvad paindlikkust ja jõudlust, muutes need sobivaks paljudele rakendustele. See juhend on andnud ülevaate FPGA disainiga seotud põhimõistetest, tööriistadest ja metoodikatest. Olenemata sellest, kas olete tudeng, insener või teadlane, on FPGA programmeerimise mõistmine oluline tipptasemel digitaalsete süsteemide arendamiseks.

Kuna tehnoloogia areneb edasi, mängivad FPGA-d jätkuvalt olulist rolli erinevates tööstusharudes kogu maailmas. HDL-ide, nagu Verilog ja VHDL, valdamine annab teile oskused, mis on vajalikud tuleviku uuenduslike lahenduste projekteerimiseks ja implementeerimiseks. Parimaid tavasid järgides, olemasolevaid ressursse kasutades ja oma teadmisi pidevalt laiendades saate saada pädevaks FPGA programmeerimise dünaamilises maailmas.