Программирование FPGA: подробное руководство по Verilog и VHDL

Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) — это универсальные интегральные схемы, которые можно перенастраивать после изготовления. Эта гибкость делает их незаменимыми для широкого спектра применений, от высокопроизводительных вычислений и телекоммуникаций до автомобильной и аэрокосмической промышленности по всему миру. Программирование FPGA в значительной степени основано на языках описания аппаратуры (HDL), при этом Verilog и VHDL являются доминирующими вариантами. Это руководство содержит всесторонний обзор программирования FPGA с использованием этих двух языков, ориентированный как на начинающих, так и на опытных инженеров.

Понимание FPGA и их применения

FPGA предлагают значительное преимущество перед специализированными интегральными схемами (ASIC) благодаря своей перепрограммируемости. В отличие от ASIC, которые разработаны для конкретной функции и не могут быть изменены после изготовления, FPGA можно настроить для реализации различных цифровых схем. Эта адаптивность имеет решающее значение в быстро развивающихся технологических ландшафтах, где требования часто меняются. Рассмотрим, например, разработку систем связи 5G. FPGA обеспечивают более быстрое прототипирование и развертывание передовых алгоритмов обработки сигналов по сравнению с традиционными циклами разработки ASIC. Аналогичным образом, в автомобильной промышленности FPGA используются в передовых системах помощи водителю (ADAS) для обеспечения обработки данных датчиков в режиме реального времени, обеспечивая безопасность и эффективность.

Применение FPGA обширно и продолжает расти:

• Телекоммуникации: базовые станции 5G, маршрутизаторы и сетевые коммутаторы.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: радиолокационные системы, авионика и спутниковая связь.
• Автомобилестроение: ADAS, информационно-развлекательные системы и блоки управления двигателем.
• Промышленная автоматизация: робототехника, машинное зрение и программируемые логические контроллеры (ПЛК).
• Центры обработки данных: высокопроизводительные вычисления, ускорение работы сети и решения для хранения данных.
• Бытовая электроника: обработка изображений в камерах и дисплеях.

Понимание основополагающих принципов и методологий программирования является ключом к эффективному использованию возможностей FPGA. Это начинается с прочной основы в HDL.

Verilog против VHDL: сравнительный обзор

Verilog и VHDL — два основных HDL, используемых для проектирования и программирования FPGA. Оба языка предназначены для описания поведения и структуры цифровых схем. Однако они различаются по синтаксису, философии и поддержке сообщества.

Verilog

Verilog — это язык описания аппаратуры, первоначально созданный в 1984 году и позднее стандартизированный IEEE как IEEE 1364. Verilog известен своим кратким синтаксисом, напоминающим язык программирования C. Эта схожесть часто упрощает изучение и использование Verilog инженерами с опытом работы с программным обеспечением. Он делает акцент на простоте использования и предлагает относительно простой подход к описанию аппаратуры. Язык имеет большую базу пользователей, и в Интернете легко найти обширные ресурсы, что упрощает поиск ответов на ваши запросы. Крупные поставщики FPGA, такие как Xilinx и Intel, предоставляют комплексные инструменты и библиотеки для поддержки проектов на основе Verilog.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) был разработан в начале 1980-х годов по инициативе Министерства обороны США и позднее стандартизирован IEEE как IEEE 1076. VHDL — это строго типизированный язык с более формальным и структурированным синтаксисом по сравнению с Verilog. Он предлагает надежные функции для верификации проектов и имеет надежную поддержку моделирования и синтеза. Акцент VHDL на строгих принципах проектирования делает его подходящим для сложных проектов, где надежность и ремонтопригодность имеют первостепенное значение. Язык также поддерживает широкий спектр стилей проектирования, позволяя инженерам описывать поведение аппаратуры различными способами, включая структурное, поведенческое и потоковое моделирование. Он также международно признан и принят в Европе, США и других странах, что делает его понимание обязательным для работы в международных командах.

Выбор между Verilog и VHDL во многом зависит от требований проекта, предпочтений команды и доступных ресурсов. В последние годы тенденция сходится с большей взаимной поддержкой со стороны поставщиков инструментов EDA, что делает разрыв менее очевидным. В большинстве случаев лучший выбор зависит от культуры компании или проекта.

Начало работы с программированием на Verilog

Давайте углубимся в основы программирования на Verilog. Мы рассмотрим синтаксис и структуру на практических примерах.

Основы синтаксиса Verilog

Код Verilog структурирован в модули. Модуль — это фундаментальный строительный блок проекта. Каждый модуль имеет имя, входные и выходные порты и описание функциональности схемы. Вот базовый пример для простого логического элемента AND:

module and_gate (
    input a, // Входной сигнал a
    input b, // Входной сигнал b
    output y  // Выходной сигнал y
);

    assign y = a & b; // Логическая операция AND

endmodule

В этом примере:

• module and_gate объявляет модуль с именем 'and_gate'.
• input a, b и output y определяют входные и выходные сигналы.
• assign y = a & b; описывает поведение элемента AND, где выход 'y' является логическим AND входов 'a' и 'b'.

Типы данных в Verilog

Verilog поддерживает несколько типов данных, которые имеют основополагающее значение для цифрового проектирования:

• wire: Представляет физическое соединение между элементами схемы.
• reg: Представляет собой элемент хранения, такой как регистр.
• integer: Представляет собой целое число со знаком.
• real: Представляет число с плавающей запятой.
• parameter: Определяет константы, используемые в проекте.

Например:

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

Здесь data_in — однобитовый провод, data_out — 8-битовый регистр, а WIDTH — параметр со значением 8. Эта возможность объявлять ширину с использованием параметров, например, ширину шины данных в битах, способствует читаемости, повторному использованию и удобству обслуживания кода.

Поведенческое моделирование

Поведенческое моделирование описывает функцию схемы, не указывая ее структуру с использованием структурного проектирования. Он использует логические операции, такие как операторы assign и процедурные блоки, такие как блоки always.

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

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

endmodule

В этом примере блок always @(*) описывает поведение сумматора: выход sum — это сумма входов 'a' и 'b'. Звездочка `*` означает, что процесс должен выполняться, если изменится какое-либо из перечисленных значений. Этот тип моделирования очень полезен для быстрой реализации схемы на высоком уровне абстракции.

Структурное моделирование

Структурное моделирование определяет схему путем подключения предопределенных компонентов. Он предлагает явный контроль над соединением отдельных вентилей, триггеров и других фундаментальных блоков.

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

В этом примере определяется полный сумматор с использованием базовых вентилей. Вентили 'xor', 'and' и 'or' инстанцируются и соединяются для формирования полного сумматора. Этот стиль проектирования очень полезен для прямого управления архитектурой цифровой схемы.

Начало работы с программированием на VHDL

Давайте углубимся в основы программирования на VHDL, включая его синтаксис, структуру и практические примеры.

Основы синтаксиса VHDL

Код VHDL организован в сущности и архитектуры. Сущность определяет внешний интерфейс модуля (порты), а архитектура описывает его внутреннюю реализацию.

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;

В этом примере:

• library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; включает стандартную библиотеку.
• entity and_gate объявляет сущность с именем 'and_gate'.
• port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) определяет входные и выходные сигналы. std_logic представляет собой однобитовый сигнал.
• architecture behavioral описывает поведение элемента AND.
• y <= a and b; реализует операцию AND.

Типы данных в VHDL

VHDL предлагает богатый набор типов данных, которые необходимы для цифрового проектирования:

• std_logic: Представляет собой однобитовый сигнал (0, 1, X, Z и т. д.).
• std_logic_vector: Представляет собой многобитовый сигнал.
• integer: Представляет целое число.
• boolean: Представляет логическое значение (TRUE или FALSE).
• bit: Представляет один бит (0 или 1).

Например:

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

Здесь data_in — однобитовый сигнал, data_out — 8-битовый сигнал, а WIDTH — константа со значением 8. Эти типы данных помогают проектировщикам создавать более сложные схемы, представляя данные и сигналы надежным и четко определенным образом.

Поведенческое моделирование

Поведенческое моделирование в VHDL описывает функциональное поведение схемы с использованием процессов и параллельных операторов. Процессы содержат последовательные операторы, которые выполняются при изменении определенных условий (сигналов). Процесс обычно реагирует на входы и соответствующим образом обновляет выходы.

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;

В этом примере блок process (a, b) описывает поведение сумматора. Функция unsigned() из библиотеки numeric_std используется для преобразования типов std_logic_vector в беззнаковый тип данных и, таким образом, выполнения арифметических операций.

Структурное моделирование

Структурное моделирование описывает схему путем инстанцирования и соединения предопределенных компонентов.

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;

В этой реализации полного сумматора компоненты 'xor_gate', 'and_gate' и 'or_gate' инстанцируются и соединяются, обеспечивая явное структурное представление схемы. Каждый инстанцированный компонент должен быть связан с базовым проектом (архитектурой, которая реализует этот компонент), иначе возникнет ошибка.

Поток проектирования FPGA: от концепции до реализации

Поток проектирования FPGA включает в себя ряд шагов, от первоначальной спецификации проекта до окончательной реализации на устройстве FPGA. Этот процесс обеспечивает эффективный проект и снижает вероятность ошибок.

1. Спецификация проекта

Первым шагом является определение требований и функциональности проекта. Это включает в себя определение входов, выходов и желаемого поведения схемы. Это включает в себя ответы на ключевые вопросы: какую проблему вы пытаетесь решить? Какие у вас есть входы? Какие вам нужны выходы? Каковы требования к синхронизации? Ответы на эти вопросы формируют спецификации для проекта.

2. Кодирование RTL (Verilog или VHDL)

Затем проект описывается с использованием HDL (Verilog или VHDL). Этот шаг включает в себя преобразование спецификаций проекта в код, который описывает поведение и структуру схемы. Выбор языка (Verilog или VHDL) зависит от требований проекта и предпочтений инженера, как обсуждалось ранее. Именно здесь вступают в игру примеры, которые мы рассмотрели. Именно здесь мы используем то, что знаем о поведенческом или структурном моделировании, и другие концепции языка, чтобы преобразовать проект в строки кода HDL.

3. Моделирование

Моделирование — решающий шаг для проверки функциональности проекта. Инструменты моделирования, такие как ModelSim и Vivado Simulator, используют тестовые стенды для моделирования проекта и проверки его производительности в различных входных условиях. Это помогает выявлять и исправлять ошибки проектирования до реализации на аппаратном обеспечении. Вы часто будете отлаживать код HDL в моделировании, чтобы убедиться, что он работает должным образом.

4. Синтез

Синтез преобразует код HDL в список основных логических элементов и взаимосвязей. Инструменты синтеза, предоставляемые поставщиками FPGA, такими как Xilinx и Intel, оптимизируют проект для целевого устройства FPGA, принимая во внимание такие ограничения, как время и площадь. Этот этап определяет, что на самом деле будет делать FPGA при реализации.

5. Реализация (Размещение и маршрутизация)

Реализация включает размещение логических элементов и взаимосвязей на физических ресурсах FPGA и маршрутизацию взаимосвязей. Этот шаг имеет решающее значение для достижения желаемой производительности и обеспечения соответствия проекта временным ограничениям. На этом этапе используются инструменты оптимизации.

6. Генерация потока бит

После реализации генерируется файл потока бит. Этот файл содержит данные конфигурации, необходимые для программирования устройства FPGA. Затем это используется для загрузки в микросхему FPGA проекта.

7. Аппаратное тестирование и отладка

Заключительный этап включает в себя тестирование реализованного проекта на аппаратном обеспечении FPGA. Это требует подключения FPGA к внешним компонентам и проверки его функциональности. Инструменты и методы отладки используются для выявления и устранения любых проблем, связанных с аппаратным обеспечением.

Передовые концепции в программировании FPGA

Как только вы ознакомитесь с основами программирования на Verilog и VHDL, вы сможете изучить передовые концепции, чтобы расширить свои возможности проектирования и оптимизировать производительность.

1. Конечные автоматы

Конечные автоматы имеют основополагающее значение для реализации последовательной логики в цифровых проектах. Они используются для управления работой схемы во времени. Понимание конечных автоматов и их проектирование с помощью HDL является важным навыком для многих приложений FPGA.

2. Пересечение доменов тактирования (CDC)

Когда разные части проекта работают на разных частотах тактирования, крайне важно правильно обрабатывать пересечение доменов тактирования (CDC), чтобы избежать метастабильности и повреждения данных. Это требует реализации методов синхронизации, таких как использование синхронизаторов и FIFO.

3. Фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ)

Фильтры КИХ широко используются в приложениях обработки сигналов. Разработка фильтров КИХ на основе HDL включает реализацию конкретных алгоритмов на аппаратном уровне для фильтрации шума или фокусировки на интересующих сигналах.

4. Интерфейсы памяти

Взаимодействие с внешними устройствами памяти, такими как SRAM или DDR SDRAM, является распространенным требованием в проектах FPGA. Это включает в себя разработку контроллеров памяти, которые могут эффективно читать и записывать данные в память.

5. IP-ядра

IP (интеллектуальная собственность) ядра — это предварительно разработанные и предварительно проверенные блоки цифровой логики, которые могут быть интегрированы в проект FPGA. Использование IP-ядер ускоряет разработку и снижает трудозатраты на проектирование. Общие примеры включают контроллеры Ethernet, интерфейсы USB и блоки DSP.

Лучшие практики программирования FPGA

Соблюдение лучших практик может помочь улучшить качество, производительность и удобство обслуживания ваших проектов FPGA.

• Используйте последовательный стиль кодирования: Примите последовательный стиль кодирования (например, отступы, соглашения об именах) для читаемости и удобства обслуживания.
• Пишите модульный код: Разбейте сложные проекты на более мелкие, повторно используемые модули.
• Тщательно комментируйте код: Добавьте четкие и лаконичные комментарии, чтобы объяснить функциональность каждого модуля, сигнала и процесса.
• Эффективно используйте моделирование: Выполняйте тщательное моделирование, чтобы проверить функциональность вашего проекта и выявить ошибки на ранней стадии.
• Реализуйте тестовые стенды: Разработайте комплексные тестовые стенды для моделирования различных сценариев и проверки надежности проекта.
• Соблюдайте временные ограничения: Соблюдайте временные ограничения, чтобы убедиться, что проект соответствует требованиям к производительности.
• Оптимизируйте использование ресурсов: Оптимизируйте проект для целевого устройства FPGA, чтобы минимизировать использование ресурсов (например, LUT, триггеров, памяти).
• Просматривайте проекты: Попросите коллег проверить ваш код, чтобы выявить потенциальные проблемы и улучшить качество.
• Используйте контроль версий: Внедрите системы контроля версий (например, Git) для отслеживания изменений и управления различными версиями вашего проекта.

Инструменты программирования FPGA и среды разработки

Доступны различные инструменты и среды разработки для поддержки потока проектирования FPGA. Некоторые из наиболее популярных включают:

• Xilinx Vivado: Комплексная среда проектирования для FPGA Xilinx, включающая инструменты моделирования, синтеза и реализации. (Xilinx, компания из США, поддерживает глобальное проектирование).
• Intel Quartus Prime: Комплексная среда проектирования для FPGA Intel (ранее Altera), также предлагающая инструменты моделирования, синтеза и реализации. (Intel, еще одна компания из США, и крупный игрок на мировом рынке).
• ModelSim/QuestaSim: Широко используемый инструмент моделирования для проектов Verilog и VHDL.
• Active-HDL: Еще один популярный инструмент моделирования и проектирования HDL.
• GHDL: Бесплатный компилятор VHDL с открытым исходным кодом.

Ресурсы для изучения программирования FPGA

Существует множество ресурсов, которые помогут вам изучить и улучшить свои навыки программирования FPGA:

• Документация поставщиков FPGA: Xilinx и Intel предоставляют обширную документацию, включая руководства пользователя, примечания к приложениям и учебные пособия.
• Онлайн-курсы: Такие платформы, как Coursera, edX и Udemy, предлагают различные курсы программирования FPGA.
• Книги: Многочисленные книги охватывают Verilog, VHDL и методологии проектирования FPGA.
• Форумы и сообщества: Онлайн-форумы и сообщества, такие как Stack Overflow и подреддиты, связанные с FPGA, обеспечивают ценную поддержку и возможности для сотрудничества.
• Учебные пособия и примеры: Веб-сайты и блоги, посвященные программированию FPGA, предлагают учебные пособия и практические примеры.

Заключение

Программирование FPGA с использованием Verilog и VHDL — сложная, но полезная область. FPGA предлагают гибкость и производительность, что делает их подходящими для широкого спектра применений. В этом руководстве представлен обзор ключевых концепций, инструментов и методологий, связанных с проектированием FPGA. Независимо от того, являетесь ли вы студентом, инженером или исследователем, понимание программирования FPGA имеет решающее значение для разработки передовых цифровых систем.

По мере развития технологий FPGA будут продолжать играть жизненно важную роль в различных отраслях по всему миру. Освоение HDLs, таких как Verilog и VHDL, предоставит вам навыки, необходимые для проектирования и реализации инновационных решений для будущего. Следуя лучшим практикам, используя доступные ресурсы и постоянно расширяя свои знания, вы сможете достичь совершенства в динамичном мире программирования FPGA.