M

MLOG

Latviešu

Izpētiet FPGA programmēšanas pasauli ar mūsu detalizēto Verilog un VHDL ceļvedi. Uzziniet par aparatūras aprakstīšanas valodām, projektēšanas metodoloģijām un globāliem pielietojumiem dažādās nozarēs.

FPGA programmēšana: visaptverošs ceļvedis par Verilog un VHDL

Laukā programmējami vārtu masīvi (FPGA) ir daudzpusīgas integrālās shēmas, kuras var pārkonfigurēt pēc ražošanas. Šī elastība padara tās neaizstājamas plašā pielietojumu klāstā, sākot no augstas veiktspējas skaitļošanas un telekomunikācijām līdz autobūves un kosmosa nozarēm visā pasaulē. FPGA programmēšana lielā mērā balstās uz aparatūras aprakstīšanas valodām (HDL), no kurām dominējošās izvēles ir Verilog un VHDL. Šis ceļvedis sniedz visaptverošu pārskatu par FPGA programmēšanu, izmantojot šīs divas valodas, un ir paredzēts gan iesācējiem, gan pieredzējušiem inženieriem.

Izpratne par FPGA un to pielietojumiem

FPGA piedāvā ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar lietojumspecifiskām integrālajām shēmām (ASIC), pateicoties to pārprogrammējamībai. Atšķirībā no ASIC, kas ir paredzētas konkrētai funkcijai un kuras pēc izgatavošanas nevar mainīt, FPGA var pielāgot, lai ieviestu dažādas digitālās shēmas. Šī pielāgošanās spēja ir ļoti svarīga strauji mainīgā tehnoloģiju vidē, kur prasības bieži mainās. Apsveriet, piemēram, 5G sakaru sistēmu attīstību. FPGA ļauj ātrāk izveidot prototipus un ieviest progresīvus signālu apstrādes algoritmus, salīdzinot ar tradicionālajiem ASIC izstrādes cikliem. Līdzīgi autobūves nozarē FPGA tiek izmantotas progresīvās vadītāja palīgsistēmās (ADAS), lai nodrošinātu reāllaika sensoru datu apstrādi, garantējot drošību un efektivitāti.

FPGA pielietojumi ir plaši un turpina pieaugt:

Pamatprincipu un programmēšanas metodoloģiju izpratne ir atslēga, lai efektīvi izmantotu FPGA jaudu. Tas sākas ar spēcīgu pamatu HDL jomā.

Verilog pret VHDL: salīdzinošs pārskats

Verilog un VHDL ir divas galvenās HDL, ko izmanto FPGA projektēšanai un programmēšanai. Abas valodas ir paredzētas, lai aprakstītu digitālo shēmu uzvedību un struktūru. Tomēr tās atšķiras pēc sintakses, filozofijas un kopienas atbalsta.

Verilog

Verilog ir aparatūras aprakstīšanas valoda, kas sākotnēji tika izveidota 1984. gadā un vēlāk standartizēta IEEE kā IEEE 1364. Verilog ir pazīstama ar savu kodolīgo sintaksi, kas atgādina C programmēšanas valodu. Šī līdzība bieži vien atvieglo inženieriem ar programmatūras izstrādes pieredzi Verilog apguvi un lietošanu. Tā uzsver lietošanas ērtumu un piedāvā salīdzinoši vienkāršu pieeju aparatūras aprakstīšanai. Valodai ir liela lietotāju bāze, un internetā ir viegli pieejami plaši resursi, kas atvieglo atbilžu meklēšanu uz jūsu jautājumiem. Lielākie FPGA ražotāji, piemēram, Xilinx un Intel, nodrošina visaptverošus rīkus un bibliotēkas, lai atbalstītu uz Verilog balstītus projektus.

VHDL

VHDL (VHSIC aparatūras aprakstīšanas valoda) tika izstrādāta 80. gadu sākumā pēc ASV Aizsardzības departamenta iniciatīvas un vēlāk standartizēta IEEE kā IEEE 1076. VHDL ir stingri tipizēta valoda ar formālāku un strukturētāku sintaksi salīdzinājumā ar Verilog. Tā piedāvā robustas funkcijas projekta verifikācijai un nodrošina spēcīgu atbalstu simulācijai un sintēzei. VHDL uzsvars uz stingriem projektēšanas principiem padara to piemērotu sarežģītiem projektiem, kur uzticamība un uzturējamība ir vissvarīgākās. Valoda atbalsta arī plašu projektēšanas stilu klāstu, ļaujot inženieriem aprakstīt aparatūras uzvedību dažādos veidos, tostarp strukturālā, uzvedības un datu plūsmas modelēšanā. Tā ir arī starptautiski atzīta un pieņemta Eiropā, Amerikas Savienotajās Valstīs un citur, padarot tās izpratni par obligātu, lai strādātu starptautiskās komandās.

Izvēle starp Verilog un VHDL lielā mērā ir atkarīga no projekta prasībām, komandas vēlmēm un pieejamajiem resursiem. Pēdējos gados tendence ir konverģējusi, EDA rīku piegādātājiem nodrošinot lielāku savstarpējo atbalstu, padarot atšķirību mazāk acīmredzamu. Vairumā gadījumu labākā izvēle ir atkarīga no uzņēmuma vai projekta kultūras.

Darba sākšana ar Verilog programmēšanu

Iedziļināsimies Verilog programmēšanas pamatos. Mēs izpētīsim sintaksi un struktūru, izmantojot praktiskus piemērus.

Verilog sintakses pamati

Verilog kods ir strukturēts moduļos. Modulis ir projekta fundamentāls būvelements. Katram modulim ir nosaukums, ievades un izvades porti un shēmas funkcionalitātes apraksts. Šeit ir pamata piemērs vienkāršam AND vārtam:


module and_gate (
    input a, // Ievades signāls a
    input b, // Ievades signāls b
    output y  // Izvades signāls y
);

    assign y = a & b; // Loģiskā AND operācija

endmodule

Šajā piemērā:

Datu tipi Verilog valodā

Verilog atbalsta vairākus datu tipus, kas ir fundamentāli digitālajā projektēšanā:

Piemēram:


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

Šeit data_in ir viena bita vads, data_out ir 8 bitu reģistrs, un WIDTH ir parametrs ar vērtību 8. Šī spēja deklarēt platumus, izmantojot parametrus, piemēram, datu kopnes bitu platumu, veicina lasāmību, atkārtotu izmantošanu un koda uzturējamību.

Uzvedības modelēšana

Uzvedības modelēšana apraksta shēmas funkciju, nenorādot tās struktūru, izmantojot strukturālo projektēšanu. Tā izmanto loģiskās operācijas, piemēram, assign apgalvojumus un procesuālos blokus, piemēram, always blokus.


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

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

endmodule

Šajā piemērā always @(*) bloks apraksta saskaitītāja uzvedību: `sum` izvade ir ievadu 'a' un 'b' summa. Simbols `*` nozīmē, ka procesam jāizpildās, ja mainās jebkura no uzskaitītajām vērtībām. Šāda veida modelēšana ir ļoti noderīga, lai ātri ieviestu shēmu augsta abstrakcijas līmenī.

Strukturālā modelēšana

Strukturālā modelēšana definē shēmu, savienojot iepriekš definētus komponentus. Tā piedāvā skaidru kontroli pār atsevišķu vārtu, trigeru un citu fundamentālu bloku savstarpējo savienojumu.


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

Šis piemērs definē pilno saskaitītāju, izmantojot pamata vārtus. 'xor', 'and' un 'or' vārti tiek instancēti un savstarpēji savienoti, lai izveidotu pilnīgu saskaitītāju. Šis projektēšanas stils ir ļoti noderīgs, lai nodrošinātu tiešu kontroli pār digitālās shēmas arhitektūru.

Darba sākšana ar VHDL programmēšanu

Iedziļināsimies VHDL programmēšanas pamatos, ieskaitot tās sintaksi, struktūru un praktiskus piemērus.

VHDL sintakses pamati

VHDL kods ir organizēts entītijās un arhitektūrās. Entītija definē moduļa ārējo saskarni (portus), savukārt arhitektūra apraksta tā iekšējo realizāciju.


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;

Šajā piemērā:

Datu tipi VHDL valodā

VHDL piedāvā bagātīgu datu tipu kopu, kas ir būtiska digitālajā projektēšanā:

Piemēram:


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

Šeit data_in ir viena bita signāls, data_out ir 8 bitu signāls, un WIDTH ir konstante ar vērtību 8. Šie datu tipi palīdz projektētājiem veidot sarežģītākas shēmas, uzticami un labi definētā veidā pārstāvot datus un signālus.

Uzvedības modelēšana

Uzvedības modelēšana VHDL valodā apraksta shēmas funkcionālo uzvedību, izmantojot procesus un paralēlus apgalvojumus. Procesi satur secīgus apgalvojumus, kas izpildās, mainoties noteiktiem nosacījumiem (signāliem). Process parasti reaģē uz ievadēm un attiecīgi atjaunina izvades.


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;

Šajā piemērā process (a, b) bloks apraksta saskaitītāja uzvedību. Funkcija unsigned() no numeric_std bibliotēkas tiek izmantota, lai pārveidotu std_logic_vector tipus par bezzīmes datu tipu un tādējādi veiktu aritmētiskas darbības.

Strukturālā modelēšana

Strukturālā modelēšana apraksta shēmu, instancējot un savienojot iepriekš definētus komponentus.


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;

Šajā pilnā saskaitītāja realizācijā 'xor_gate', 'and_gate' un 'or_gate' komponenti tiek instancēti un savstarpēji savienoti, nodrošinot skaidru strukturālu skatu uz shēmu. Katram instancētajam komponentam jābūt saistītam ar pamatā esošo projektu (arhitektūru, kas realizē šo komponentu), pretējā gadījumā radīsies kļūda.

FPGA projektēšanas plūsma: no koncepcijas līdz realizācijai

FPGA projektēšanas plūsma ietver virkni soļu, sākot no sākotnējās projekta specifikācijas līdz galīgajai realizācijai FPGA ierīcē. Šis process nodrošina efektīvu projektēšanu un samazina kļūdu iespējamību.

1. Projekta specifikācija

Pirmais solis ir definēt projekta prasības un funkcionalitāti. Tas ietver ievadu, izvadu un vēlamās shēmas uzvedības noteikšanu. Tas ietver atbildes uz galvenajiem jautājumiem: kādu problēmu jūs mēģināt atrisināt? Kādas ir jūsu ievades? Kādas izvades jums ir nepieciešamas? Kādas ir laika prasības? Atbildes uz šiem jautājumiem veido projekta specifikācijas.

2. RTL kodēšana (Verilog vai VHDL)

Pēc tam projekts tiek aprakstīts, izmantojot HDL (Verilog vai VHDL). Šis solis ietver projekta specifikāciju tulkošanu kodā, kas apraksta shēmas uzvedību un struktūru. Valodas (Verilog vai VHDL) izvēle ir atkarīga no projekta prasībām un inženiera vēlmēm, kā tika apspriests iepriekš. Šeit noder piemēri, kurus mēs aplūkojām. Šeit mēs izmantojam to, ko zinām par uzvedības vai strukturālo modelēšanu un citiem valodas jēdzieniem, lai pārvērstu projektu HDL koda rindās.

3. Simulācija

Simulācija ir būtisks solis, lai pārbaudītu projekta funkcionalitāti. Simulācijas rīki, piemēram, ModelSim un Vivado Simulator, izmanto testa stendus, lai simulētu projektu un pārbaudītu tā veiktspēju dažādos ievades apstākļos. Tas palīdz identificēt un labot projektēšanas kļūdas pirms realizācijas aparatūrā. Jūs bieži atklāsiet, ka atkļūdojat HDL kodu simulācijā, lai nodrošinātu, ka tas darbojas, kā paredzēts.

4. Sintēze

Sintēze pārvērš HDL kodu tīklsarakstā (netlist) ar pamata loģiskajiem vārtiem un savienojumiem. Sintēzes rīki, ko nodrošina FPGA ražotāji, piemēram, Xilinx un Intel, optimizē projektu mērķa FPGA ierīcei, ņemot vērā tādus ierobežojumus kā laiks un laukums. Šis posms nosaka, ko FPGA faktiski darīs, kad tā tiks realizēta.

5. Realizācija (izvietošana un trasēšana)

Realizācija ietver loģisko vārtu un savienojumu izvietošanu FPGA fiziskajos resursos un savienojumu trasēšanu. Šis solis ir kritisks, lai sasniegtu vēlamo veiktspēju un nodrošinātu, ka projekts atbilst laika ierobežojumiem. Šajā posmā tiek izmantoti optimizācijas rīki.

6. Bitu straumes ģenerēšana

Pēc realizācijas tiek ģenerēts bitu straumes fails. Šis fails satur konfigurācijas datus, kas nepieciešami, lai ieprogrammētu FPGA ierīci. Tas pēc tam tiek izmantots, lai ielādētu projektu FPGA mikroshēmā.

7. Aparatūras testēšana un atkļūdošana

Pēdējais solis ietver realizētā projekta testēšanu uz FPGA aparatūras. Tas prasa FPGA savienošanu ar ārējiem komponentiem un tās funkcionalitātes pārbaudi. Atkļūdošanas rīki un metodes tiek izmantotas, lai identificētu un atrisinātu jebkādas ar aparatūru saistītas problēmas.

Progresīvi jēdzieni FPGA programmēšanā

Kad esat iepazinies ar Verilog un VHDL programmēšanas pamatiem, varat izpētīt progresīvus jēdzienus, lai uzlabotu savas projektēšanas spējas un optimizētu veiktspēju.

1. Stāvokļu mašīnas

Stāvokļu mašīnas ir fundamentālas, lai realizētu secīgo loģiku digitālajos projektos. Tās tiek izmantotas, lai kontrolētu shēmas darbību laika gaitā. Stāvokļu mašīnu un to projektēšanas ar HDL izpratne ir būtiska prasme daudziem FPGA pielietojumiem.

2. Taktēšanas domēnu šķērsošana (CDC)

Ja dažādas projekta daļas darbojas ar dažādām takts frekvencēm, ir ļoti svarīgi pareizi apstrādāt takts domēnu šķērsošanu (CDC), lai izvairītos no metastabilitātes un datu bojājumiem. Tas prasa sinhronizācijas tehniku, piemēram, sinhronizatoru un FIFO izmantošanu, ieviešanu.

3. Galīgās impulsa reakcijas (FIR) filtri

FIR filtri tiek plaši izmantoti signālu apstrādes lietojumprogrammās. Uz HDL balstīta FIR filtru projektēšana ietver specifisku algoritmu realizēšanu aparatūrā, lai filtrētu troksni vai koncentrētos uz interesējošiem signāliem.

4. Atmiņas saskarnes

Saskarne ar ārējām atmiņas ierīcēm, piemēram, SRAM vai DDR SDRAM, ir izplatīta prasība FPGA projektos. Tas ietver atmiņas kontrolieru projektēšanu, kas var efektīvi lasīt un rakstīt datus atmiņā.

5. IP kodoli

IP (intelektuālā īpašuma) kodoli ir iepriekš projektēti un pārbaudīti digitālās loģikas bloki, kurus var integrēt FPGA projektā. IP kodolu izmantošana paātrina izstrādi un samazina projektēšanas pūles. Bieži piemēri ir Ethernet kontrolieri, USB saskarnes un DSP bloki.

Labākā prakse FPGA programmēšanā

Labākās prakses ievērošana var palīdzēt uzlabot jūsu FPGA projektu kvalitāti, veiktspēju un uzturējamību.

FPGA programmēšanas rīki un izstrādes vides

Ir pieejami dažādi rīki un izstrādes vides, kas atbalsta FPGA projektēšanas plūsmu. Daži no populārākajiem ir:

Resursi FPGA programmēšanas apguvei

Ir daudz resursu, kas var palīdzēt jums apgūt un uzlabot savas prasmes FPGA programmēšanā:

Noslēgums

FPGA programmēšana ar Verilog un VHDL ir izaicinoša, bet atalgojoša joma. FPGA piedāvā elastību un veiktspēju, padarot tās piemērotas plašam lietojumu klāstam. Šis ceļvedis ir sniedzis pārskatu par galvenajiem jēdzieniem, rīkiem un metodoloģijām, kas saistītas ar FPGA projektēšanu. Neatkarīgi no tā, vai esat students, inženieris vai pētnieks, FPGA programmēšanas izpratne ir būtiska, lai izstrādātu progresīvas digitālās sistēmas.

Tehnoloģijām turpinot attīstīties, FPGA turpinās spēlēt būtisku lomu dažādās nozarēs visā pasaulē. HDL, piemēram, Verilog un VHDL, apguve sniegs jums nepieciešamās prasmes, lai projektētu un ieviestu inovatīvus risinājumus nākotnei. Ievērojot labāko praksi, izmantojot pieejamos resursus un nepārtraukti paplašinot savas zināšanas, jūs varat kļūt par prasmīgu dinamiskajā FPGA programmēšanas pasaulē.