M

MLOG

Hrvatski

Istražite svijet FPGA programiranja uz naš detaljan vodič za Verilog i VHDL. Saznajte o jezicima za opis hardvera, metodologijama dizajna i globalnim primjenama.

FPGA Programiranje: Sveobuhvatan vodič za Verilog i VHDL

Polja programabilnih logičkih matrica (FPGAs) su svestrani integrirani krugovi koji se mogu rekonfigurirati nakon proizvodnje. Ova fleksibilnost čini ih ključnim za širok raspon primjena, od računarstva visokih performansi i telekomunikacija do automobilske i zrakoplovne industrije diljem svijeta. Programiranje FPGA-ova uvelike se oslanja na jezike za opis hardvera (HDLs), pri čemu su Verilog i VHDL dominantni izbori. Ovaj vodič pruža sveobuhvatan pregled FPGA programiranja pomoću ova dva jezika, namijenjen i početnicima i iskusnim inženjerima.

Razumijevanje FPGA-ova i njihovih primjena

FPGA-ovi nude značajnu prednost u odnosu na integrirane krugove specifične za aplikaciju (ASIC) zbog njihove mogućnosti reprogramiranja. Za razliku od ASIC-ova, koji su dizajnirani za određenu funkciju i ne mogu se mijenjati nakon izrade, FPGA-ovi se mogu prilagoditi za implementaciju različitih digitalnih sklopova. Ova prilagodljivost ključna je u brzorastućim tehnološkim krajolicima gdje se zahtjevi često mijenjaju. Razmotrite, na primjer, razvoj 5G komunikacijskih sustava. FPGA-ovi omogućuju bržu izradu prototipa i implementaciju naprednih algoritama za obradu signala u usporedbi s tradicionalnim razvojnim ciklusima ASIC-a. Slično tome, u automobilskoj industriji, FPGA-ovi se koriste u naprednim sustavima pomoći vozaču (ADAS) za pružanje obrade senzorskih podataka u stvarnom vremenu, osiguravajući sigurnost i učinkovitost.

Primjene FPGA-ova su brojne i nastavljaju rasti:

Razumijevanje temeljnih načela i metodologija programiranja ključno je za učinkovito iskorištavanje snage FPGA-ova. To počinje s jakim temeljima u HDL-ovima.

Verilog vs. VHDL: Komparativni pregled

Verilog i VHDL su dva primarna HDL-a koja se koriste za dizajniranje i programiranje FPGA-ova. Oba jezika su dizajnirana za opisivanje ponašanja i strukture digitalnih sklopova. Međutim, razlikuju se u sintaksi, filozofiji i podršci zajednice.

Verilog

Verilog je jezik za opis hardvera izvorno stvoren 1984. godine, a kasnije ga je IEEE standardizirao kao IEEE 1364. Verilog je poznat po svojoj sažetoj sintaksi, koja podsjeća na programski jezik C. Ova sličnost često olakšava inženjerima sa softverskim iskustvom učenje i korištenje Veriloga. Naglašava jednostavnost korištenja i nudi relativno jednostavan pristup opisivanju hardvera. Jezik ima veliku korisničku bazu, a opsežni resursi su lako dostupni na internetu, što olakšava pronalaženje odgovora na vaša pitanja. Glavni dobavljači FPGA-ova, poput Xilinxa i Intela, pružaju sveobuhvatne alate i biblioteke za podršku dizajnu temeljenom na Verilogu.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) razvijen je ranih 1980-ih pod inicijativom američkog Ministarstva obrane, a kasnije ga je IEEE standardizirao kao IEEE 1076. VHDL je strogo tipiziran jezik s formalnijom i strukturiranijom sintaksom u usporedbi s Verilogom. Nudi robusne značajke za provjeru dizajna i ima snažnu podršku za simulaciju i sintezu. VHDL-ov naglasak na strogim načelima dizajna čini ga prikladnim za složene projekte gdje su pouzdanost i održivost najvažniji. Jezik također podržava širok raspon stilova dizajna, omogućujući inženjerima da opisuju ponašanje hardvera na različite načine, uključujući strukturno, bihevioralno i modeliranje protoka podataka. Također je međunarodno priznat i usvojen u Europi, Sjedinjenim Državama i drugdje, što njegovo razumijevanje čini imperativom za rad u međunarodnim timovima.

Izbor između Veriloga i VHDL-a uvelike ovisi o zahtjevima projekta, preferencijama tima i dostupnim resursima. Posljednjih godina trend se konvergirao s većom podrškom od strane dobavljača EDA alata, čineći jaz manje očitim. U većini slučajeva, najbolji izbor ovisi o kulturi tvrtke ili projekta.

Početak s Verilog programiranjem

Zaronimo u osnove Verilog programiranja. Istražit ćemo sintaksu i strukturu kroz praktične primjere.

Verilog sintaksa - Osnove

Verilog kod je strukturiran u module. Modul je temeljni gradivni blok dizajna. Svaki modul ima ime, ulazne i izlazne portove i opis funkcionalnosti kruga. Evo osnovnog primjera za jednostavna I vrata:


module and_gate (
    input a, // Ulazni signal a
    input b, // Ulazni signal b
    output y  // Izlazni signal y
);

    assign y = a & b; // Logička I operacija

endmodule

U ovom primjeru:

Tipovi podataka u Verilogu

Verilog podržava nekoliko tipova podataka koji su temeljni za digitalni dizajn:

Na primjer:


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

Ovdje je data_in jednožični bit, data_out je 8-bitni registar, a WIDTH je parametar s vrijednošću 8. Ova mogućnost deklariranja širina pomoću parametara, kao što je širina bita podatkovne sabirnice, promiče čitljivost, ponovnu upotrebu i održavanje koda.

Bihevioralno modeliranje

Bihevioralno modeliranje opisuje funkciju kruga bez specificiranja njegove strukture korištenjem strukturnog dizajna. Koristi logičke operacije kao što su assign naredbe i proceduralni blokovi kao što su always blokovi.


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

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

endmodule

U ovom primjeru, blok always @(*) opisuje ponašanje zbrajala: izlaz `sum` je zbroj ulaza 'a' i 'b'. `*` znači da se proces treba izvršiti ako se bilo koja od navedenih vrijednosti promijeni. Ova vrsta modeliranja vrlo je korisna za brzu implementaciju kruga na visokoj razini apstrakcije.

Strukturno modeliranje

Strukturno modeliranje definira krug povezivanjem unaprijed definiranih komponenti. Nudi eksplicitnu kontrolu nad međusobnim povezivanjem pojedinačnih vrata, flip-flopova i drugih temeljnih blokova.


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

Ovaj primjer definira potpuno zbrajalo koristeći osnovna vrata. Vrata 'xor', 'and' i 'or' su instancirana i međusobno povezana kako bi se formiralo potpuno zbrajalo. Ovaj stil dizajna vrlo je koristan za izravnu kontrolu nad arhitekturom digitalnog kruga.

Početak s VHDL programiranjem

Zaronimo u osnove VHDL programiranja, uključujući njegovu sintaksu, strukturu i praktične primjere.

VHDL sintaksa - Osnove

VHDL kod je organiziran u entitete i arhitekture. Entitet definira vanjsko sučelje modula (portove), dok arhitektura opisuje njegovu unutarnju implementaciju.


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;

U ovom primjeru:

Tipovi podataka u VHDL-u

VHDL nudi bogat skup tipova podataka koji su bitni za digitalni dizajn:

Na primjer:


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

Ovdje je data_in jednožični signal, data_out je 8-žični signal, a WIDTH je konstanta s vrijednošću 8. Ovi tipovi podataka pomažu dizajnerima da izgrade složenije sklopove predstavljanjem podataka i signala na pouzdan i dobro definiran način.

Bihevioralno modeliranje

Bihevioralno modeliranje u VHDL-u opisuje funkcionalno ponašanje kruga pomoću procesa i konkurentnih naredbi. Procesi sadrže sekvencijalne naredbe koje se izvršavaju kada se određeni uvjeti (signali) promijene. Proces obično reagira na ulaze i ažurira izlaze u skladu s tim.


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;

U ovom primjeru, blok process (a, b) opisuje ponašanje zbrajala. Funkcija unsigned() iz biblioteke numeric_std koristi se za pretvaranje tipova std_logic_vector u nepotpisani tip podataka i na taj način izvodi aritmetiku.

Strukturno modeliranje

Strukturno modeliranje opisuje krug instanciranjem i povezivanjem unaprijed definiranih komponenti.


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;

U ovoj implementaciji punog zbrajala, komponente 'xor_gate', 'and_gate' i 'or_gate' su instancirane i međusobno povezane, pružajući eksplicitan strukturni pogled na krug. Svaka instancirana komponenta mora biti povezana s temeljnim dizajnom (arhitekturom koja implementira tu komponentu) ili će doći do pogreške.

FPGA tok dizajna: Od koncepta do implementacije

FPGA tok dizajna uključuje niz koraka, od početne specifikacije dizajna do konačne implementacije na FPGA uređaju. Ovaj postupak osigurava učinkovit dizajn i smanjuje mogućnost pogrešaka.

1. Specifikacija dizajna

Prvi korak je definiranje zahtjeva i funkcionalnosti dizajna. To uključuje određivanje ulaza, izlaza i željenog ponašanja kruga. To uključuje odgovaranje na ključna pitanja: koji problem pokušavate riješiti? Koje ulaze imate? Koje izlaze trebate? Koji su zahtjevi za vremensko usklađivanje? Odgovor na ova pitanja čini specifikacije za dizajn.

2. RTL kodiranje (Verilog ili VHDL)

Dizajn se zatim opisuje pomoću HDL-a (Verilog ili VHDL). Ovaj korak uključuje prevođenje specifikacija dizajna u kod koji opisuje ponašanje i strukturu kruga. Izbor jezika (Verilog ili VHDL) ovisi o zahtjevima projekta i preferencijama inženjera, kao što je prethodno raspravljano. Ovdje dolaze do izražaja primjeri koje smo obradili. Ovdje koristimo ono što znamo o bihevioralnom ili strukturnom modeliranju i drugim konceptima jezika za prevođenje dizajna u retke HDL koda.

3. Simulacija

Simulacija je ključan korak za provjeru funkcionalnosti dizajna. Alati za simulaciju, kao što su ModelSim i Vivado Simulator, koriste testne klupe za simulaciju dizajna i provjeru njegovih performansi u različitim ulaznim uvjetima. To pomaže u identificiranju i ispravljanju pogrešaka u dizajnu prije implementacije na hardveru. Često ćete se naći u otklanjanju pogrešaka u HDL kodu u simulaciji kako biste osigurali da radi prema očekivanjima.

4. Sinteza

Sinteza prevodi HDL kod u netlist osnovnih logičkih vrata i međusobnih veza. Alati za sintezu, koje pružaju dobavljači FPGA-ova kao što su Xilinx i Intel, optimiziraju dizajn za ciljni FPGA uređaj, uzimajući u obzir ograničenja kao što su vremensko usklađivanje i područje. Ova faza određuje što će FPGA zapravo raditi kada se implementira.

5. Implementacija (Postavljanje i usmjeravanje)

Implementacija uključuje postavljanje logičkih vrata i međusobnih veza na fizičke resurse FPGA-a i usmjeravanje međusobnih veza. Ovaj korak je ključan za postizanje željenih performansi i osiguravanje da dizajn zadovoljava ograničenja vremenskog usklađivanja. Alati za optimizaciju se koriste u ovoj fazi.

6. Generiranje bitstreama

Nakon implementacije generira se datoteka bitstream. Ova datoteka sadrži podatke o konfiguraciji potrebne za programiranje FPGA uređaja. Ovo se zatim koristi za učitavanje FPGA čipa s dizajnom.

7. Testiranje i otklanjanje pogrešaka hardvera

Završni korak uključuje testiranje implementiranog dizajna na FPGA hardveru. To zahtijeva povezivanje FPGA s vanjskim komponentama i provjeru njegove funkcionalnosti. Alati i tehnike za otklanjanje pogrešaka koriste se za identificiranje i rješavanje svih problema povezanih s hardverom.

Napredni koncepti u FPGA programiranju

Nakon što se upoznate s osnovama Verilog i VHDL programiranja, možete istražiti napredne koncepte kako biste poboljšali svoje dizajnerske sposobnosti i optimizirali performanse.

1. Stanja automata

Stanja automata su temeljna za implementaciju sekvencijalne logike u digitalnim dizajnima. Koriste se za kontrolu rada kruga tijekom vremena. Razumijevanje stanja automata i njihov dizajn s HDL-om bitna je vještina za mnoge FPGA aplikacije.

2. Prijelaz domene sata (CDC)

Kada različiti dijelovi dizajna rade na različitim frekvencijama sata, ključno je ispravno rukovati prijelazom domene sata (CDC) kako bi se izbjegla metastabilnost i oštećenje podataka. To zahtijeva implementaciju tehnika sinkronizacije, kao što je korištenje sinkronizatora i FIFO-a.

3. Filtri konačnog impulsnog odziva (FIR)

FIR filtri se široko koriste u aplikacijama za obradu signala. Dizajn FIR filtra temeljen na HDL-u uključuje implementaciju specifičnih algoritama u hardveru za filtriranje šuma ili fokusiranje na signale od interesa.

4. Memorijska sučelja

Sučelje s vanjskim memorijskim uređajima, kao što su SRAM ili DDR SDRAM, uobičajeni je zahtjev u FPGA dizajnu. To uključuje dizajniranje memorijskih kontrolera koji mogu učinkovito čitati i pisati podatke u memoriju.

5. IP jezgre

IP (Intelektualno vlasništvo) jezgre su unaprijed dizajnirani i unaprijed provjereni blokovi digitalne logike koji se mogu integrirati u FPGA dizajn. Korištenje IP jezgri ubrzava razvoj i smanjuje napor dizajna. Uobičajeni primjeri uključuju Ethernet kontrolere, USB sučelja i DSP blokove.

Najbolje prakse za FPGA programiranje

Slijedeći najbolje prakse možete poboljšati kvalitetu, performanse i održivost svojih FPGA dizajna.

Alati za FPGA programiranje i razvojna okruženja

Dostupni su različiti alati i razvojna okruženja za podršku FPGA toku dizajna. Neki od najpopularnijih uključuju:

Resursi za učenje FPGA programiranja

Dostupni su mnogi resursi koji vam mogu pomoći da naučite i poboljšate svoje vještine u FPGA programiranju:

Zaključak

FPGA programiranje s Verilogom i VHDL-om je izazovno, ali nagrađujuće područje. FPGA-ovi nude fleksibilnost i performanse, što ih čini prikladnim za širok raspon aplikacija. Ovaj vodič pružio je pregled ključnih koncepata, alata i metodologija uključenih u FPGA dizajn. Bilo da ste student, inženjer ili istraživač, razumijevanje FPGA programiranja ključno je za razvoj vrhunskih digitalnih sustava.

Kako se tehnologija nastavlja razvijati, FPGA-ovi će nastaviti igrati vitalnu ulogu u raznim industrijama diljem svijeta. Ovladavanje HDL-ovima kao što su Verilog i VHDL pružit će vam vještine potrebne za dizajniranje i implementaciju inovativnih rješenja za budućnost. Slijedeći najbolje prakse, koristeći dostupne resurse i kontinuirano šireći svoje znanje, možete postati vješti u dinamičnom svijetu FPGA programiranja.

FPGA Programiranje: Sveobuhvatan vodič za Verilog i VHDL | MLOG