Na przykład:

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

Tutaj data_in to jednobitowy przewód, data_out to 8-bitowy rejestr, a WIDTH to parametr o wartości 8. Ta zdolność do deklarowania szerokości za pomocą parametrów, takich jak szerokość bitowa magistrali danych, sprzyja czytelności, ponownemu użyciu i łatwości konserwacji kodu.

Modelowanie behawioralne

Modelowanie behawioralne opisuje funkcję obwodu bez określania jego struktury za pomocą projektowania strukturalnego. Wykorzystuje operacje logiczne, takie jak instrukcje assign i bloki proceduralne, takie jak bloki always.

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

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

endmodule

W tym przykładzie blok always @(*) opisuje zachowanie sumatora: wyjście `sum` jest sumą wejść 'a' i 'b'. Symbol `*` oznacza, że proces powinien zostać wykonany, jeśli zmieni się którakolwiek z wymienionych wartości. Ten typ modelowania jest bardzo przydatny do szybkiej implementacji obwodu na wysokim poziomie abstrakcji.

Modelowanie strukturalne

Modelowanie strukturalne definiuje obwód poprzez łączenie wstępnie zdefiniowanych komponentów. Oferuje ono jawną kontrolę nad połączeniami poszczególnych bramek, przerzutników i innych podstawowych bloków.

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

Ten przykład definiuje pełny sumator wykorzystujący podstawowe bramki. Bramki 'xor', 'and' i 'or' są instancjonowane i połączone, aby stworzyć kompletny sumator. Ten styl projektowania jest bardzo przydatny do bezpośredniej kontroli architektury obwodu cyfrowego.

Rozpoczęcie programowania w VHDL

Zagłębmy się w podstawy programowania w VHDL, włączając w to jego składnię, strukturę i praktyczne przykłady.

Podstawy składni VHDL

Kod VHDL jest zorganizowany w encje i architektury. Encja definiuje interfejs zewnętrzny modułu (porty), natomiast architektura opisuje jego wewnętrzną implementację.

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;

W tym przykładzie:

• library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; włącza standardową bibliotekę.
• entity and_gate deklaruje encję o nazwie 'and_gate'.
• port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) definiuje sygnały wejściowe i wyjściowe. std_logic reprezentuje sygnał jednobitowy.
• architecture behavioral opisuje zachowanie bramki AND.
• y <= a and b; implementuje operację AND.

Typy danych w VHDL

VHDL oferuje bogaty zestaw typów danych, które są niezbędne w projektowaniu cyfrowym:

• std_logic: Reprezentuje sygnał jednobitowy (0, 1, X, Z, itd.).
• std_logic_vector: Reprezentuje sygnał wielobitowy.
• integer: Reprezentuje liczbę całkowitą.
• boolean: Reprezentuje wartość boolowską (TRUE lub FALSE).
• bit: Reprezentuje pojedynczy bit (0 lub 1).

Na przykład:

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

Tutaj data_in to sygnał jednobitowy, data_out to sygnał 8-bitowy, a WIDTH to stała o wartości 8. Te typy danych pomagają projektantom budować bardziej złożone obwody, reprezentując dane i sygnały w niezawodny i dobrze zdefiniowany sposób.

Modelowanie behawioralne

Modelowanie behawioralne w VHDL opisuje funkcjonalne zachowanie obwodu za pomocą procesów i współbieżnych instrukcji. Procesy zawierają instrukcje sekwencyjne, które są wykonywane, gdy zmieniają się określone warunki (sygnały). Proces zazwyczaj reaguje na wejścia i odpowiednio aktualizuje wyjścia.

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;

W tym przykładzie blok process (a, b) opisuje zachowanie sumatora. Funkcja unsigned() z biblioteki numeric_std jest używana do konwersji typów std_logic_vector na typ danych bez znaku, a tym samym do wykonywania operacji arytmetycznych.

Modelowanie strukturalne

Modelowanie strukturalne opisuje obwód poprzez instancjonowanie i łączenie wstępnie zdefiniowanych komponentów.

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;

W tej implementacji pełnego sumatora komponenty 'xor_gate', 'and_gate' i 'or_gate' są instancjonowane i połączone, co zapewnia wyraźny widok strukturalny obwodu. Każdy instancjonowany komponent musi być powiązany z bazowym projektem (architekturą, która implementuje ten komponent), w przeciwnym razie pojawi się błąd.

Przebieg projektowania FPGA: Od koncepcji do implementacji

Przebieg projektowania FPGA obejmuje szereg kroków, od początkowej specyfikacji projektu do ostatecznej implementacji na urządzeniu FPGA. Proces ten zapewnia efektywny projekt i zmniejsza prawdopodobieństwo błędów.

1. Specyfikacja projektu

Pierwszym krokiem jest zdefiniowanie wymagań i funkcjonalności projektu. Obejmuje to określenie wejść, wyjść i pożądanego zachowania obwodu. Wiąże się to z odpowiedzią na kluczowe pytania: jaki problem próbujesz rozwiązać? Jakie masz dane wejściowe? Jakie wyjścia są Ci potrzebne? Jakie są wymagania czasowe? Odpowiedzi na te pytania stanowią specyfikacje projektu.

2. Kodowanie RTL (Verilog lub VHDL)

Projekt jest następnie opisywany za pomocą języka HDL (Verilog lub VHDL). Ten krok obejmuje tłumaczenie specyfikacji projektu na kod, który opisuje zachowanie i strukturę obwodu. Wybór języka (Verilog lub VHDL) zależy od wymagań projektu i preferencji inżyniera, jak wcześniej omówiono. To tutaj wchodzą w grę omówione przez nas przykłady. To tutaj wykorzystujemy naszą wiedzę na temat modelowania behawioralnego lub strukturalnego oraz inne koncepcje języka, aby przetłumaczyć projekt na linie kodu HDL.

3. Symulacja

Symulacja jest kluczowym krokiem do weryfikacji funkcjonalności projektu. Narzędzia symulacyjne, takie jak ModelSim i Vivado Simulator, używają tzw. "test benchów" do symulacji projektu i sprawdzania jego wydajności w różnych warunkach wejściowych. Pomaga to w identyfikacji i naprawie błędów projektowych przed implementacją na sprzęcie. Często będziesz debugować kod HDL w symulacji, aby upewnić się, że działa zgodnie z oczekiwaniami.

4. Synteza

Synteza tłumaczy kod HDL na listę połączeń podstawowych bramek logicznych i połączeń. Narzędzia syntezy, dostarczane przez dostawców FPGA, takich jak Xilinx i Intel, optymalizują projekt dla docelowego urządzenia FPGA, biorąc pod uwagę ograniczenia, takie jak taktowanie i obszar. Ten etap określa, co FPGA faktycznie zrobi po zaimplementowaniu.

5. Implementacja (Rozmieszczenie i trasowanie)

Implementacja obejmuje rozmieszczenie bramek logicznych i połączeń na fizycznych zasobach FPGA oraz trasowanie połączeń. Ten krok jest kluczowy dla osiągnięcia pożądanej wydajności i zapewnienia, że projekt spełnia ograniczenia czasowe. Na tym etapie wykorzystywane są narzędzia optymalizacyjne.

6. Generowanie bitstreamu

Po implementacji generowany jest plik bitstream. Plik ten zawiera dane konfiguracyjne potrzebne do zaprogramowania urządzenia FPGA. Jest on następnie używany do załadowania układu FPGA projektem.

7. Testowanie i debugowanie sprzętu

Ostatni krok obejmuje testowanie zaimplementowanego projektu na sprzęcie FPGA. Wymaga to podłączenia FPGA do zewnętrznych komponentów i weryfikacji jego funkcjonalności. Narzędzia i techniki debugowania są używane do identyfikacji i rozwiązywania wszelkich problemów związanych ze sprzętem.

Zaawansowane koncepcje w programowaniu FPGA

Po zapoznaniu się z podstawami programowania w Verilog i VHDL, możesz zgłębić zaawansowane koncepcje, aby zwiększyć swoje możliwości projektowe i zoptymalizować wydajność.

1. Maszyny stanów

Maszyny stanów są podstawą do implementacji logiki sekwencyjnej w projektach cyfrowych. Służą do kontrolowania działania obwodu w czasie. Zrozumienie maszyn stanów i ich projektowania za pomocą HDL jest niezbędną umiejętnością dla wielu zastosowań FPGA.

2. Przejście między domenami zegarowymi (CDC)

Gdy różne części projektu działają na różnych częstotliwościach zegara, kluczowe jest prawidłowe zarządzanie przejściem między domenami zegarowymi (CDC), aby uniknąć metastabilności i uszkodzenia danych. Wymaga to implementacji technik synchronizacji, takich jak użycie synchronizatorów i FIFOs.

3. Filtry skończonej odpowiedzi impulsowej (FIR)

Filtry FIR są szeroko stosowane w aplikacjach przetwarzania sygnałów. Projektowanie filtrów FIR opartych na HDL obejmuje implementację specyficznych algorytmów w sprzęcie w celu odfiltrowania szumu lub skupienia się na sygnałach będących przedmiotem zainteresowania.

4. Interfejsy pamięci

Interfejsowanie z zewnętrznymi urządzeniami pamięci, takimi jak SRAM lub DDR SDRAM, jest częstym wymogiem w projektach FPGA. Wymaga to projektowania kontrolerów pamięci, które mogą efektywnie odczytywać i zapisywać dane do pamięci.

5. Rdzenie IP

Rdzenie IP (Intellectual Property) to wstępnie zaprojektowane i zweryfikowane bloki logiki cyfrowej, które można zintegrować z projektem FPGA. Użycie rdzeni IP przyspiesza rozwój i zmniejsza wysiłek projektowy. Typowe przykłady to kontrolery Ethernet, interfejsy USB i bloki DSP.

Najlepsze praktyki w programowaniu FPGA

Przestrzeganie najlepszych praktyk może pomóc poprawić jakość, wydajność i łatwość konserwacji Twoich projektów FPGA.

• Używaj spójnego stylu kodowania: Przyjmij spójny styl kodowania (np. wcięcia, konwencje nazewnictwa) dla czytelności i łatwości konserwacji.
• Pisz modułowy kod: Dziel złożone projekty na mniejsze, wielokrotnego użytku moduły.
• Dokładnie komentuj kod: Dodawaj jasne i zwięzłe komentarze, aby wyjaśnić funkcjonalność każdego modułu, sygnału i procesu.
• Efektywnie używaj symulacji: Wykonuj dokładne symulacje, aby zweryfikować funkcjonalność projektu i wcześnie wychwycić błędy.
• Implementuj test bench’e: Opracuj kompleksowe test bench’e, aby symulować różne scenariusze i testować odporność projektu.
• Przestrzegaj ograniczeń czasowych: Przestrzegaj ograniczeń czasowych, aby upewnić się, że projekt spełnia wymagania wydajnościowe.
• Optymalizuj wykorzystanie zasobów: Optymalizuj projekt dla docelowego urządzenia FPGA, aby zminimalizować wykorzystanie zasobów (np. LUT, przerzutników, pamięci).
• Przeglądaj projekty: Poproś o przegląd kodu przez współpracowników, aby zidentyfikować potencjalne problemy i poprawić jakość.
• Używaj kontroli wersji: Wdrażaj systemy kontroli wersji (np. Git), aby śledzić zmiany i zarządzać różnymi wersjami projektu.

Narzędzia i środowiska programistyczne FPGA

Dostępne są różne narzędzia i środowiska programistyczne wspierające proces projektowania FPGA. Do najpopularniejszych należą:

• Xilinx Vivado: Kompleksowe środowisko projektowe dla FPGA firmy Xilinx, obejmujące narzędzia do symulacji, syntezy i implementacji. (Xilinx, firma z USA, wspiera globalne projektowanie).
• Intel Quartus Prime: Kompleksowe środowisko projektowe dla FPGA firmy Intel (dawniej Altera), oferujące również narzędzia do symulacji, syntezy i implementacji. (Intel, kolejna firma z USA i główny gracz na rynku globalnym).
• ModelSim/QuestaSim: Szeroko stosowane narzędzie do symulacji projektów Verilog i VHDL.
• Active-HDL: Kolejne popularne narzędzie do symulacji i projektowania HDL.
• GHDL: Darmowy i otwarty kompilator VHDL.

Zasoby do nauki programowania FPGA

Dostępnych jest wiele zasobów, które pomogą Ci nauczyć się i doskonalić umiejętności w programowaniu FPGA:

• Dokumentacja dostawców FPGA: Xilinx i Intel dostarczają obszerną dokumentację, w tym przewodniki użytkownika, noty aplikacyjne i samouczki.
• Kursy online: Platformy takie jak Coursera, edX i Udemy oferują różne kursy programowania FPGA.
• Książki: Liczne książki omawiają Verilog, VHDL i metodologie projektowania FPGA.
• Fora i społeczności: Fora i społeczności internetowe, takie jak Stack Overflow i subreddity związane z FPGA, zapewniają cenne wsparcie i możliwości współpracy.
• Samouczki i przykłady: Strony internetowe i blogi poświęcone programowaniu FPGA oferują samouczki i praktyczne przykłady.

Podsumowanie

Programowanie FPGA za pomocą Verilog i VHDL to wymagająca, ale satysfakcjonująca dziedzina. FPGA oferują elastyczność i wydajność, co czyni je odpowiednimi dla szerokiej gamy zastosowań. Ten przewodnik przedstawił przegląd kluczowych koncepcji, narzędzi i metodologii związanych z projektowaniem FPGA. Niezależnie od tego, czy jesteś studentem, inżynierem czy badaczem, zrozumienie programowania FPGA jest kluczowe dla rozwijania nowoczesnych systemów cyfrowych.

W miarę ewolucji technologii, FPGA będą nadal odgrywać kluczową rolę w różnych branżach na całym świecie. Opanowanie języków HDL, takich jak Verilog i VHDL, zapewni Ci umiejętności niezbędne do projektowania i wdrażania innowacyjnych rozwiązań na przyszłość. Postępując zgodnie z najlepszymi praktykami, wykorzystując dostępne zasoby i stale poszerzając swoją wiedzę, możesz stać się biegłym w dynamicznym świecie programowania FPGA.