M

MLOG

Suomi

Tutustu FPGA-ohjelmoinnin maailmaan syvällisen oppaamme avulla, joka käsittelee Verilogiä ja VHDL:ää. Opi laitteistokuvauskielistä, suunnittelumenetelmistä ja globaaleista sovelluksista eri teollisuudenaloilla.

FPGA-ohjelmointi: Kattava opas Verilogiin ja VHDL:ään

Field-Programmable Gate Arrays (FPGA:t) ovat monipuolisia integroitujen piirien osia, jotka voidaan konfiguroida uudelleen valmistuksen jälkeen. Tämä joustavuus tekee niistä välttämättömiä monenlaisissa sovelluksissa, tehokkaasta laskennasta ja tietoliikenteestä autoteollisuuteen ja ilmailu- ja avaruusteollisuuteen maailmanlaajuisesti. FPGA:iden ohjelmointi perustuu vahvasti laitteistokuvauskieliin (HDL), joista Verilog ja VHDL ovat hallitsevia valintoja. Tämä opas tarjoaa kattavan yleiskatsauksen FPGA-ohjelmointiin näillä kahdella kielellä, ja se on tarkoitettu sekä aloittelijoille että kokeneille insinööreille.

FPGA:iden ja niiden sovellusten ymmärtäminen

FPGA:t tarjoavat merkittävän edun sovelluskohtaisiin integroituihin piireihin (ASIC) verrattuna niiden uudelleenohjelmoitavuuden ansiosta. Toisin kuin ASIC:it, jotka on suunniteltu tiettyä toimintoa varten ja joita ei voida muuttaa valmistuksen jälkeen, FPGA:t voidaan räätälöidä toteuttamaan erilaisia digitaalisia piirejä. Tämä sopeutumiskyky on ratkaisevan tärkeää nopeasti kehittyvissä teknologisissa ympäristöissä, joissa vaatimukset muuttuvat usein. Otetaan esimerkiksi 5G-viestintäjärjestelmien kehittäminen. FPGA:t mahdollistavat nopeamman prototyyppien luonnin ja kehittyneiden signaalinkäsittelyalgoritmien käyttöönoton verrattuna perinteisiin ASIC-kehityssykleihin. Samoin autoteollisuudessa FPGA:ita käytetään kehittyneissä kuljettajaa avustavissa järjestelmissä (ADAS) anturitiedon reaaliaikaiseen käsittelyyn, mikä varmistaa turvallisuuden ja tehokkuuden.

FPGA:iden sovellukset ovat laajat ja kasvavat jatkuvasti:

Perusperiaatteiden ja ohjelmointimenetelmien ymmärtäminen on avain FPGA:iden tehokkaaseen hyödyntämiseen. Tämä alkaa vahvalla pohjalla HDL:issä.

Verilog vs. VHDL: Vertailu yleiskatsaus

Verilog ja VHDL ovat kaksi ensisijaista HDL:ää, joita käytetään FPGA:iden suunnittelussa ja ohjelmoinnissa. Molemmat kielet on suunniteltu kuvaamaan digitaalisten piirien käyttäytymistä ja rakennetta. Ne eroavat kuitenkin syntaksin, filosofian ja yhteisön tuen osalta.

Verilog

Verilog on laitteistokuvauskieli, joka luotiin alun perin vuonna 1984 ja jonka IEEE myöhemmin standardoi IEEE 1364:nä. Verilog tunnetaan ytimekkäästä syntaksistaan, joka muistuttaa C-ohjelmointikieltä. Tämä samankaltaisuus tekee siitä usein helpompaa insinööreille, joilla on ohjelmistotausta, oppia ja käyttää Verilogiä. Se korostaa helppokäyttöisyyttä ja tarjoaa suhteellisen suoraviivaisen lähestymistavan laitteiston kuvaamiseen. Kielellä on laaja käyttäjäkunta, ja internetissä on saatavilla laajoja resursseja, mikä helpottaa vastausten löytämistä kysymyksiisi. Suuret FPGA-toimittajat, kuten Xilinx ja Intel, tarjoavat kattavat työkalut ja kirjastot Verilog-pohjaisten suunnitelmien tukemiseen.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) kehitettiin 1980-luvun alussa Yhdysvaltain puolustusministeriön aloitteesta, ja IEEE standardoi sen myöhemmin IEEE 1076:na. VHDL on vahvasti tyypitetty kieli, jonka syntaksi on muodollisempi ja rakenteisempi kuin Verilogilla. Se tarjoaa vankat ominaisuudet suunnittelun varmistamiseen ja sillä on vahva tuki simuloinnille ja synteesille. VHDL:n painotus tiukoihin suunnitteluperiaatteisiin tekee siitä sopivan monimutkaisiin projekteihin, joissa luotettavuus ja ylläpidettävyys ovat ensiarvoisen tärkeitä. Kieli tukee myös monenlaisia suunnittelutyylejä, joiden avulla insinöörit voivat kuvata laitteiston käyttäytymistä eri tavoilla, mukaan lukien rakenteellinen, käyttäytymis- ja tietovirran mallintaminen. Se on myös kansainvälisesti tunnustettu ja otettu käyttöön Euroopassa, Yhdysvalloissa ja muualla, minkä vuoksi sen ymmärtäminen on välttämätöntä kansainvälisissä tiimeissä työskentelyä varten.

Valinta Verilogin ja VHDL:n välillä riippuu suuresti projektin vaatimuksista, tiimin mieltymyksistä ja käytettävissä olevista resursseista. Viime vuosina trendi on lähentynyt, ja EDA-työkalujen toimittajat tukevat enemmän ristiin, mikä tekee kuilusta vähemmän ilmeisen. Useimmissa tapauksissa paras valinta riippuu yrityksen tai projektin kulttuurista.

Verilog-ohjelmoinnin aloittaminen

Sukelletaanpa Verilog-ohjelmoinnin perusasioihin. Tutkimme syntaksia ja rakennetta käytännön esimerkkien avulla.

Verilog-syntaksin perusteet

Verilog-koodi on jäsennelty moduuleiksi. Moduuli on suunnittelun perusrakennuspalikka. Jokaisella moduulilla on nimi, tulo- ja lähtöportit sekä kuvaus piirin toiminnallisuudesta. Tässä on perusesimerkki yksinkertaisesta AND-portista:


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

Tässä esimerkissä:

Verilog-tietotyypit

Verilog tukee useita tietotyyppejä, jotka ovat digitaalisen suunnittelun perusasioita:

Esimerkiksi:


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

Tässä data_in on yhden bitin johto, data_out on 8-bittinen rekisteri ja WIDTH on parametri, jonka arvo on 8. Tämä kyky ilmoittaa leveyksiä parametrien avulla, kuten dataväylän bittileveys, edistää luettavuutta, uudelleenkäyttöä ja koodin ylläpidettävyyttä.

Käyttäytymismallinnus

Käyttäytymismallinnus kuvaa piirin toimintaa määrittämättä sen rakennetta rakenteellisella suunnittelulla. Se käyttää loogisia operaatioita, kuten assign-lauseita, ja prosessuaalisia lohkoja, kuten always-lohkoja.


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

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

endmodule

Tässä esimerkissä always @(*) -lohko kuvaa lisäyslaitteen toimintaa: `sum`-lähtö on tulojen 'a' ja 'b' summa. `*` tarkoittaa, että prosessi pitäisi suorittaa, jos jokin luetelluista arvoista muuttuu. Tämä mallinnustyyppi on erittäin hyödyllinen piirin nopeaan toteuttamiseen korkealla abstraktiotasolla.

Rakenteellinen mallinnus

Rakenteellinen mallinnus määrittelee piirin yhdistämällä ennalta määritetyt komponentit. Se tarjoaa selkeän hallinnan yksittäisten porttien, liipaisinten ja muiden peruslohkojen yhteenliittämisestä.


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

Tämä esimerkki määrittelee täyslisäyslaitteen käyttämällä perusportteja. 'xor', 'and' ja 'or' -portit instansioidaan ja yhdistetään toisiinsa täydellisen lisäyslaitteen muodostamiseksi. Tämä suunnittelutyyli on erittäin hyödyllinen digitaalipiirin arkkitehtuurin suorassa hallinnassa.

VHDL-ohjelmoinnin aloittaminen

Sukelletaanpa VHDL-ohjelmoinnin perusasioihin, mukaan lukien sen syntaksi, rakenne ja käytännön esimerkit.

VHDL-syntaksin perusteet

VHDL-koodi on järjestetty entiteetteihin ja arkkitehtuureihin. Entiteetti määrittelee moduulin ulkoisen rajapinnan (portit), kun taas arkkitehtuuri kuvaa sen sisäisen toteutuksen.


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;

Tässä esimerkissä:

VHDL-tietotyypit

VHDL tarjoaa rikkaan tietotyyppivalikoiman, jotka ovat välttämättömiä digitaalisessa suunnittelussa:

Esimerkiksi:


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

Tässä data_in on yhden bitin signaali, data_out on 8-bittinen signaali ja WIDTH on vakio, jonka arvo on 8. Nämä tietotyypit auttavat suunnittelijoita rakentamaan monimutkaisempia piirejä esittämällä tietoja ja signaaleja luotettavalla ja hyvin määritellyllä tavalla.

Käyttäytymismallinnus

Käyttäytymismallinnus VHDL:ssä kuvaa piirin funktionaalista käyttäytymistä käyttämällä prosesseja ja samanaikaisia lauseita. Prosessit sisältävät peräkkäisiä lauseita, jotka suoritetaan, kun tietyt ehdot (signaalit) muuttuvat. Prosessi vastaa yleensä tuloihin ja päivittää lähdöt vastaavasti.


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;

Tässä esimerkissä process (a, b) -lohko kuvaa lisäyslaitteen käyttäytymistä. unsigned()-funktiota numeric_std-kirjastosta käytetään muuntamaan std_logic_vector-tyypit allekirjoittamattomaksi tietotyypiksi ja suorittamaan siten aritmeettisia laskutoimituksia.

Rakenteellinen mallinnus

Rakenteellinen mallinnus kuvaa piiriä instansioimalla ja yhdistämällä ennalta määritetyt komponentit.


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;

Tässä täyslisäyslaitteen toteutuksessa 'xor_gate', 'and_gate' ja 'or_gate' -komponentit instansioidaan ja yhdistetään toisiinsa, mikä tarjoaa selkeän rakenteellisen näkymän piiriin. Jokainen instansioitu komponentti on linkitettävä pohjana olevaan suunnitteluun (arkkitehtuuriin, joka toteuttaa kyseisen komponentin), tai virhe syntyy.

FPGA-suunnitteluvirta: Konseptista toteutukseen

FPGA-suunnitteluvirta sisältää sarjan vaiheita alkuperäisestä suunnitteluspesifikaatiosta lopulliseen toteutukseen FPGA-laitteella. Tämä prosessi varmistaa tehokkaan suunnittelun ja vähentää virheiden mahdollisuuksia.

1. Suunnitteluspesifikaatio

Ensimmäinen vaihe on suunnittelun vaatimusten ja toiminnallisuuden määrittäminen. Tämä sisältää piirin tulojen, lähtöjen ja halutun käyttäytymisen määrittämisen. Tämä sisältää vastaamisen keskeisiin kysymyksiin: mitä ongelmaa yrität ratkaista? Mitä tuloja sinulla on? Mitä lähtöjä tarvitset? Mitä ajoitusvaatimuksia on? Vastaus näihin kysymyksiin muodostaa suunnittelun spesifikaatiot.

2. RTL-koodaus (Verilog tai VHDL)

Suunnittelu kuvataan sitten HDL:n (Verilog tai VHDL) avulla. Tässä vaiheessa suunnitteluspesifikaatiot käännetään koodiksi, joka kuvaa piirin käyttäytymistä ja rakennetta. Kielen valinta (Verilog tai VHDL) riippuu projektin vaatimuksista ja insinöörin mieltymyksistä, kuten aiemmin keskusteltiin. Tässä pääsemme käyttämään oppimiamme esimerkkejä. Tässä käytämme sitä, mitä tiedämme käyttäytymis- tai rakenteellisesta mallintamisesta ja muista kielen käsitteistä suunnittelun kääntämiseksi rivi riviltä HDL-koodiksi.

3. Simulointi

Simulointi on ratkaiseva vaihe suunnittelun toiminnallisuuden tarkistamisessa. Simulointityökalut, kuten ModelSim ja Vivado Simulator, käyttävät testipenkkejä suunnittelun simuloimiseen ja sen suorituskyvyn tarkistamiseen eri tulo-olosuhteissa. Tämä auttaa tunnistamaan ja korjaamaan suunnitteluvirheitä ennen laitteistoon toteuttamista. Tulet usein huomaamaan itsesi virheenkorjaamasta HDL-koodia simulaatiossa varmistaaksesi, että se toimii odotetulla tavalla.

4. Synteesi

Synteesi kääntää HDL-koodin peruslogiikkaporttien ja -yhteyksien verkkoluetteloksi. FPGA-toimittajien, kuten Xilinx ja Intel, tarjoamat synteesityökalut optimoivat suunnittelun kohde-FPGA-laitteelle ottaen huomioon rajoitukset, kuten ajoituksen ja alueen. Tässä vaiheessa määritetään, mitä FPGA todella tekee toteutettaessa.

5. Toteutus (Sijoittelu ja reititys)

Toteutus sisältää logiikkaporttien ja -yhteyksien sijoittamisen FPGA:n fyysisiin resursseihin ja yhteyksien reitittämisen. Tämä vaihe on kriittinen halutun suorituskyvyn saavuttamiseksi ja sen varmistamiseksi, että suunnittelu täyttää ajoitusrajoitukset. Optimointityökaluja käytetään tässä vaiheessa.

6. Bittestivirran luonti

Toteutuksen jälkeen luodaan bittivirratiedosto. Tämä tiedosto sisältää konfigurointitiedot, jotka tarvitaan FPGA-laitteen ohjelmointiin. Tätä käytetään sitten lataamaan FPGA-siru suunnittelulla.

7. Laitteiston testaus ja virheenkorjaus

Viimeinen vaihe sisältää toteutetun suunnittelun testaamisen FPGA-laitteistolla. Tämä edellyttää FPGA:n liittämistä ulkoisiin komponentteihin ja sen toiminnallisuuden tarkistamista. Virheenkorjaustyökaluja ja -tekniikoita käytetään tunnistamaan ja ratkaisemaan laitteistoon liittyviä ongelmia.

FPGA-ohjelmoinnin edistyneet käsitteet

Kun olet perehtynyt Verilog- ja VHDL-ohjelmoinnin perusteisiin, voit tutkia edistyneitä käsitteitä parantaaksesi suunnittelukykyjäsi ja optimoidaksesi suorituskykyä.

1. Tilakoneet

Tilakoneet ovat perustavanlaatuisia digitaalisten suunnitelmien sekvenssilogiikan toteuttamisessa. Niitä käytetään piirin toiminnan ohjaamiseen ajan mittaan. Tilakoneiden ja niiden suunnittelun ymmärtäminen HDL:llä on olennainen taito monissa FPGA-sovelluksissa.

2. Kellosignaalin ylitys (CDC)

Kun suunnittelun eri osat toimivat eri kellotaajuuksilla, on ratkaisevan tärkeää käsitellä kellosignaalin ylitystä (CDC) oikein, jotta vältetään metastabiilisuus ja tietojen vioittuminen. Tämä edellyttää synkronointitekniikoiden, kuten synkronointien ja FIFO:jen, toteuttamista.

3. Äärellisen impulssivasteen (FIR) suodattimet

FIR-suodattimia käytetään laajalti signaalinkäsittelysovelluksissa. HDL-pohjainen FIR-suodattimien suunnittelu sisältää tiettyjen algoritmien toteuttamisen laitteistoon melun suodattamiseksi tai kiinnostavien signaalien keskittämiseksi.

4. Muistiliitännät

Liittäminen ulkoisiin muistilaitteisiin, kuten SRAM tai DDR SDRAM, on yleinen vaatimus FPGA-suunnitelmissa. Tämä edellyttää muistiohjaimien suunnittelua, jotka voivat tehokkaasti lukea ja kirjoittaa tietoja muistiin.

5. IP-ytimet

IP (Intellectual Property) -ytimet ovat valmiiksi suunniteltuja ja valmiiksi tarkistettuja digitaalisen logiikan lohkoja, jotka voidaan integroida FPGA-suunnitteluun. IP-ytimien käyttö nopeuttaa kehitystä ja vähentää suunnittelupyrkimyksiä. Yleisiä esimerkkejä ovat Ethernet-ohjaimet, USB-liitännät ja DSP-lohkot.

FPGA-ohjelmoinnin parhaat käytännöt

Parhaiden käytäntöjen noudattaminen voi auttaa parantamaan FPGA-suunnitelmiesi laatua, suorituskykyä ja ylläpidettävyyttä.

FPGA-ohjelmointityökalut ja kehitysympäristöt

Erilaisia työkaluja ja kehitysympäristöjä on saatavilla FPGA-suunnitteluvirran tukemiseen. Joitakin suosituimmista ovat:

Resurssit FPGA-ohjelmoinnin oppimiseen

Saatavilla on monia resursseja, jotka auttavat sinua oppimaan ja parantamaan taitojasi FPGA-ohjelmoinnissa:

Johtopäätös

FPGA-ohjelmointi Verilogilla ja VHDL:llä on haastava mutta palkitseva ala. FPGA:t tarjoavat joustavuutta ja suorituskykyä, mikä tekee niistä sopivia monenlaisiin sovelluksiin. Tämä opas on antanut yleiskatsauksen keskeisistä käsitteistä, työkaluista ja menetelmistä, jotka liittyvät FPGA-suunnitteluun. Olitpa sitten opiskelija, insinööri tai tutkija, FPGA-ohjelmoinnin ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää huippuluokan digitaalisten järjestelmien kehittämisessä.

Teknologian kehittyessä FPGA:t jatkavat tärkeää roolia eri teollisuudenaloilla maailmanlaajuisesti. Sellaisten HDL:ien hallitseminen kuin Verilog ja VHDL antaa sinulle tarvittavat taidot innovatiivisten ratkaisujen suunnitteluun ja toteuttamiseen tulevaisuutta varten. Noudattamalla parhaita käytäntöjä, hyödyntämällä saatavilla olevia resursseja ja jatkuvasti laajentamalla tietämystäsi, voit tulla taitavaksi FPGA-ohjelmoinnin dynaamisessa maailmassa.