Programiranje FPGA: Izčrpen vodnik po Verilogu in VHDL

Poljsko programabilni vratni polji (FPGA) so vsestranska integrirana vezja, ki jih je mogoče ponovno konfigurirati po proizvodnji. Ta prilagodljivost jih naredi bistvene za široko paleto aplikacij, od visokozmogljivega računalništva in telekomunikacij do avtomobilske in letalske industrije po vsem svetu. Programiranje FPGA se močno opira na jezike za opis strojne opreme (HDL), pri čemer sta Verilog in VHDL dominantni izbiri. Ta vodnik ponuja izčrpen pregled programiranja FPGA z uporabo teh dveh jezikov, namenjen tako začetnikom kot izkušenim inženirjem.

Razumevanje FPGA in njihovih aplikacij

FPGA ponujajo znatno prednost pred specifičnimi integriranimi vezji za aplikacije (ASIC) zaradi svoje ponovne programabilnosti. Za razliko od ASIC, ki so zasnovani za določeno funkcijo in jih po izdelavi ni mogoče spremeniti, lahko FPGA prilagodimo za izvajanje različnih digitalnih vezij. Ta prilagodljivost je ključna v hitro razvijajočih se tehnoloških pokrajinah, kjer se zahteve pogosto spreminjajo. Razmislite na primer o razvoju komunikacijskih sistemov 5G. FPGA omogočajo hitrejše prototipiranje in uvajanje naprednih algoritmov za obdelavo signalov v primerjavi s tradicionalnimi razvojnimi cikli ASIC. Podobno se v avtomobilski industriji FPGA uporabljajo v naprednih sistemih za pomoč vozniku (ADAS) za zagotavljanje obdelave podatkov iz senzorjev v realnem času, kar zagotavlja varnost in učinkovitost.

Aplikacije FPGA so obsežne in se še naprej širijo:

Telekomunikacije: bazne postaje 5G, usmerjevalniki in omrežna stikala.
Letalstvo in obramba: Radarski sistemi, avionika in satelitske komunikacije.
Avtomobilska industrija: ADAS, informacijsko-zabavni sistemi in krmilniki motorja.
Industrijska avtomatizacija: Robotika, strojno vida in programabilni logični krmilniki (PLC).
Podatkovni centri: Visokozmogljive računalništvo, pospeševanje omrežja in rešitve za shranjevanje.
Potrošniška elektronika: Obdelava slik v kamerah in zaslonih.

Razumevanje osnovnih načel in metodologij programiranja je ključno za učinkovito izkoriščanje moči FPGA. To se začne z močnim temeljem v HDL.

Verilog proti VHDL: primerjalni pregled

Verilog in VHDL sta dva primarna HDL, ki se uporabljata za načrtovanje in programiranje FPGA. Oba jezika sta zasnovana za opisovanje vedenja in strukture digitalnih vezij. Vendar se razlikujeta po sintaksi, filozofiji in podpori skupnosti.

Verilog

Verilog je jezik za opis strojne opreme, ki je bil prvotno ustvarjen leta 1984 in ga je pozneje standardiziral IEEE kot IEEE 1364. Verilog je znan po svoji jedrnati sintaksi, ki je podobna programskemu jeziku C. Ta podobnost pogosto olajša učenje in uporabo Veriloga inženirjem s programsko podlago. Poudarja enostavnost uporabe in ponuja razmeroma enostaven pristop k opisovanju strojne opreme. Jezik ima veliko bazo uporabnikov in obsežni viri so na voljo na internetu, kar olajša iskanje odgovorov na vaša vprašanja. Glavni ponudniki FPGA, kot sta Xilinx in Intel, zagotavljajo obsežna orodja in knjižnice za podporo zasnov, ki temeljijo na Verilogu.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) je bil razvit v začetku 80. let pod pobudo Ministrstva za obrambo ZDA in pozneje standardiziran z IEEE kot IEEE 1076. VHDL je močno tipiziran jezik z bolj formalno in strukturirano sintakso v primerjavi z Verilogom. Ponuja robustne funkcije za preverjanje zasnove ter močno podporo za simulacijo in sintezo. VHDL-jev poudarek na strogih načelih oblikovanja ga naredi primernega za kompleksne projekte, kjer sta zanesljivost in vzdrževanje ključnega pomena. Jezik podpira tudi široko paleto stilov oblikovanja, ki inženirjem omogočajo opisovanje vedenja strojne opreme na različne načine, vključno s strukturnim, vedenjskim in podatkovnim modeliranjem. Je tudi mednarodno priznan in sprejet v Evropi, ZDA in drugod, zaradi česar je njegovo razumevanje nujno za delo v mednarodnih ekipah.

Izbira med Verilogom in VHDL je v veliki meri odvisna od zahtev projekta, preferenc ekipe in razpoložljivih virov. V zadnjih letih se je trend zbližal z večjo medsebojno podporo s strani ponudnikov orodij EDA, zaradi česar je vrzel manj očitna. V večini primerov je najboljša izbira odvisna od kulture podjetja ali projekta.

Začetek programiranja v Verilogu

Poglobimo se v osnove programiranja v Verilogu. Sintakso in strukturo bomo raziskali s praktičnimi primeri.

Osnove sintakse Veriloga

Koda Veriloga je strukturirana v module. Modul je temeljni gradnik zasnove. Vsak modul ima ime, vhodne in izhodne priključke ter opis funkcionalnosti vezja. Tukaj je osnovni primer za preprosto vratce AND:


module and_gate (
    input a, // Vhodni signal a
    input b, // Vhodni signal b
    output y  // Izhodni signal y
);

    assign y = a & b; // Logična operacija AND

endmodule

V tem primeru:

module and_gate razglasi modul z imenom 'and_gate'.
input a, b in output y definirata vhodne in izhodne signale.
assign y = a & b; opisuje vedenje vratc AND, kjer je izhod 'y' logični AND vhodov 'a' in 'b'.

Podatkovni tipi v Verilogu

Verilog podpira več podatkovnih tipov, ki so temeljni za digitalno načrtovanje:

wire: Predstavlja fizično povezavo med elementi vezja.
reg: Predstavlja pomnilniški element, kot je register.
integer: Predstavlja celo število s predznakom.
real: Predstavlja število s plavajočo vejico.
parameter: Definira konstante, uporabljene v zasnovi.

Na primer:


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

Tukaj je data_in žica z enim bitom, data_out je 8-bitni register, WIDTH pa je parameter z vrednostjo 8. Ta sposobnost razglašanja širin z uporabo parametrov, kot je širina bitov podatkovnega vodila, spodbuja berljivost, ponovno uporabo in vzdrževanje kode.

Vedenjsko modeliranje

Vedenjsko modeliranje opisuje funkcijo vezja brez določanja njegove strukture z uporabo strukturnega modeliranja. Uporablja logične operacije, kot so izrazi assign in proceduralni bloki, kot so bloki always.


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

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

endmodule

V tem primeru blok always @(*) opisuje vedenje seštevalnika: izhod sum je vsota vhodov 'a' in 'b'. Simbol `*` pomeni, da se proces izvede, če se spremeni katera koli od navedenih vrednosti. Ta vrsta modeliranja je zelo uporabna za hitro implementacijo vezja na visoki ravni abstrakcije.

Strukturno modeliranje

Strukturno modeliranje definira vezje s povezovanjem predhodno definiranih komponent. Ponuja izjemen nadzor nad medsebojno povezavo posameznih vratc, preklopnikov in drugih osnovnih blokov.


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

Ta primer definira polni seštevalnik z uporabo osnovnih vratc. Vratca 'xor', 'and' in 'or' so instancirana in medsebojno povezana, da tvorijo celoten seštevalnik. Ta stil oblikovanja je zelo uporaben za neposreden nadzor nad arhitekturo digitalnega vezja.

Začetek programiranja v VHDL

Poglobimo se v osnove programiranja v VHDL, vključno z njegovo sintakso, strukturo in praktičnimi primeri.

Osnove sintakse VHDL

Koda VHDL je organizirana v entitete in arhitekture. Entiteta definira zunanji vmesnik modula (vrata), medtem ko arhitektura opisuje njegovo notranjo implementacijo.


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;

V tem primeru:

library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; vključi standardno knjižnico.
entity and_gate razglasi entiteto z imenom 'and_gate'.
port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) definira vhodne in izhodne signale. std_logic predstavlja enobitni signal.
architecture behavioral opisuje vedenje vratc AND.
y <= a and b; implementira operacijo AND.

Podatkovni tipi v VHDL

VHDL ponuja bogato zbirko podatkovnih tipov, ki so bistveni za digitalno načrtovanje:

std_logic: Predstavlja enobitni signal (0, 1, X, Z itd.).
std_logic_vector: Predstavlja večbitni signal.
integer: Predstavlja celo število.
boolean: Predstavlja booleovsko vrednost (TRUE ali FALSE).
bit: Predstavlja en sam bit (0 ali 1).

Na primer:


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

Tukaj je data_in enobitni signal, data_out je 8-bitni signal, WIDTH pa je konstanta z vrednostjo 8. Ti podatkovni tipi pomagajo oblikovalcem graditi bolj kompleksna vezja z zanesljivim in dobro definiranim predstavljanjem podatkov in signalov.

Vedenjsko modeliranje

Vedenjsko modeliranje v VHDL opisuje funkcionalno vedenje vezja z uporabo procesov in sočasnih izrazov. Procesi vsebujejo zaporedne izreke, ki se izvajajo ob spremembi določenih pogojev (signalov). Proces običajno reagira na vhode in ustrezno posodablja izhode.


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;

V tem primeru blok process (a, b) opisuje vedenje seštevalnika. Funkcija unsigned() iz knjižnice numeric_std se uporablja za pretvorbo tipov std_logic_vector v podatkovni tip brez predznaka in s tem za izvajanje aritmetike.

Strukturno modeliranje

Strukturno modeliranje opisuje vezje z instanciranjem in povezovanjem predhodno definiranih komponent.


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;

V tej implementaciji polnega seštevalnika so komponente 'xor_gate', 'and_gate' in 'or_gate' instancirane in medsebojno povezane, kar zagotavlja ekspliciten strukturni pogled na vezje. Vsaka instancirana komponenta mora biti povezana z osnovnim načrtom (arhitektura, ki implementira to komponento), sicer bo prišlo do napake.

Tok načrtovanja FPGA: od koncepta do implementacije

Tok načrtovanja FPGA vključuje vrsto korakov, od začetne specifikacije zasnove do končne implementacije na napravi FPGA. Ta postopek zagotavlja učinkovito zasnovo in zmanjšuje možnosti napak.

1. Specifikacija zasnove

Prvi korak je določitev zahtev in funkcionalnosti zasnove. To vključuje določitev vhodov, izhodov in željenega vedenja vezja. To vključuje odgovarjanje na ključna vprašanja: Kakšen problem želite rešiti? Katere vhode imate? Katere izhode potrebujete? Kakšne so časovne zahteve? Odgovori na ta vprašanja tvorijo specifikacije za zasnovo.

2. RTL kodiranje (Verilog ali VHDL)

Zasnova je nato opisana z uporabo HDL (Verilog ali VHDL). Ta korak vključuje pretvorbo specifikacij zasnove v kodo, ki opisuje vedenje in strukturo vezja. Izbira jezika (Verilog ali VHDL) je odvisna od zahtev projekta in preference inženirja, kot je bilo že omenjeno. Tukaj stopijo v ospredje primeri, ki smo jih obravnavali. Tukaj uporabimo tisto, kar vemo o vedenjskem ali strukturnem modeliranju in drugih konceptih jezika, da pretvorimo zasnovo v vrstice kode HDL.

3. Simulacija

Simulacija je ključen korak za preverjanje funkcionalnosti zasnove. Simulacijska orodja, kot sta ModelSim in Vivado Simulator, uporabljajo testne klopi za simulacijo zasnove in preverjanje njene uspešnosti pod različnimi vstopnimi pogoji. To pomaga pri prepoznavanju in odpravljanju napak v zasnovi pred implementacijo na strojni opremi. Pogosto boste odpravljali napake v kodi HDL med simulacijo, da zagotovite, da deluje, kot je pričakovano.

4. Sinteza

Sinteza pretvori kodo HDL v mrežni seznam osnovnih logičnih vratc in povezav. Orodja za sintezo, ki jih zagotavljajo ponudniki FPGA, kot sta Xilinx in Intel, optimizirajo zasnovo za ciljno napravo FPGA, pri čemer upoštevajo omejitve, kot sta časovni potek in prostor. Ta faza določa, kaj bo FPGA dejansko naredil, ko bo implementiran.

5. Implementacija (Postavitev in usmerjanje)

Implementacija vključuje postavitev logičnih vratc in povezav na fizične vire FPGA ter usmerjanje povezav. Ta korak je ključen za doseganje želene uspešnosti in zagotavljanje, da zasnova izpolnjuje časovne omejitve. V tej fazi se uporabljajo optimizacijska orodja.

6. Generiranje bitnega toka

Po implementaciji se ustvari datoteka z bitnim tokom. Ta datoteka vsebuje konfiguracijske podatke, potrebne za programiranje naprave FPGA. Ta se nato uporabi za nalaganje čipa FPGA z zasnovo.

7. Testiranje in odpravljanje napak na strojni opremi

Končni korak vključuje testiranje implementirane zasnove na strojni opremi FPGA. To zahteva povezavo FPGA z zunanjimi komponentami in preverjanje njene funkcionalnosti. Za prepoznavanje in reševanje morebitnih težav, povezanih s strojno opremo, se uporabljajo orodja in tehnike za odpravljanje napak.

Napredni koncepti pri programiranju FPGA

Ko se seznanite z osnovami programiranja v Verilogu in VHDL, lahko raziščete napredne koncepte za izboljšanje vaših zasnovalnih zmožnosti in optimizacijo uspešnosti.

1. Statični avtomati

Statični avtomati so temeljni za implementacijo zaporedne logike v digitalnih zasnovah. Uporabljajo se za nadzor delovanja vezja skozi čas. Razumevanje statičnih avtomatov in njihovega načrtovanja z HDL je bistvena veščina za številne aplikacije FPGA.

2. Prečkanje domene ure (CDC)

Ko različni deli zasnove delujejo pri različnih frekvencah ure, je ključnega pomena, da pravilno obravnavamo prečkanje domene ure (CDC), da se izognemo nestabilnosti in poškodovanju podatkov. To zahteva implementacijo sinhronizacijskih tehnik, kot so uporaba sinhronizatorjev in FIFO.

3. Filtri z končnim impulzom (FIR)

FIR filtri se široko uporabljajo v aplikacijah za obdelavo signalov. Načrtovanje FIR filtrov z uporabo HDL vključuje implementacijo specifičnih algoritmov v strojni opremi za izločanje šuma ali osredotočanje na signale, ki so predmet zanimanja.

4. Vmesniki za pomnilnik

Vmesnik z zunanjimi pomnilniškimi napravami, kot sta SRAM ali DDR SDRAM, je pogosta zahteva pri zasnovah FPGA. To vključuje načrtovanje pomnilniških krmilnikov, ki lahko učinkovito berejo in pišejo podatke v pomnilnik.

5. IP jedra

IP (Intellectual Property) jedra so predhodno zasnovani in predhodno preverjeni bloki digitalne logike, ki jih je mogoče integrirati v zasnovo FPGA. Uporaba IP jeder pospeši razvoj in zmanjša razvojne napore. Pogosti primeri vključujejo Ethernet krmilnike, USB vmesnike in DSP bloke.

Najboljše prakse za programiranje FPGA

Sledite najboljšim praksam lahko pomaga izboljšati kakovost, uspešnost in vzdrževanje vaših zasnov FPGA.

Uporabite dosleden slog kodiranja: Sprejmite dosleden slog kodiranja (npr. zamikanje, konvencije poimenovanja) za berljivost in vzdrževanje.
Pišite modularno kodo: Razdelite kompleksne zasnove na manjše, ponovno uporabne module.
Komentirajte kodo temeljito: Dodajte jasne in jedrnate komentarje, da pojasnite funkcionalnost vsakega modula, signala in procesa.
Učinkovito uporabite simulacijo: Izvedite temeljite simulacije, da preverite funkcionalnost vaše zasnove in zgodaj odkrijete napake.
Implementirajte testne klopi: Razvijte obsežne testne klopi za simulacijo različnih scenarijev in testiranje robustnosti zasnove.
Upoštevajte časovne omejitve: Upoštevajte časovne omejitve, da zagotovite, da zasnova izpolnjuje zahteve glede uspešnosti.
Optimizirajte uporabo virov: Optimizirajte zasnovo za ciljno napravo FPGA, da zmanjšate uporabo virov (npr. LUT, preklopni elementi, pomnilnik).
Pregledajte zasnove: Naj vaši kodi pregledajo kolegi, da bi prepoznali morebitne težave in izboljšali kakovost.
Uporabite nadzor različic: Implementirajte sisteme za nadzor različic (npr. Git) za sledenje sprememb in upravljanje različnih različic vaše zasnove.

Orodja za programiranje FPGA in razvojna okolja

Za podporo toka zasnove FPGA je na voljo različna orodja in razvojna okolja. Nekatera najbolj priljubljena vključujejo:

Xilinx Vivado: Celovito razvojno okolje za FPGA Xilinx, vključno z orodji za simulacijo, sintezo in implementacijo. (Xilinx, podjetje s sedežem v ZDA, podpira globalno načrtovanje).
Intel Quartus Prime: Celovito razvojno okolje za FPGA Intel (prej Altera), ki prav tako ponuja orodja za simulacijo, sintezo in implementacijo. (Intel, drugo podjetje s sedežem v ZDA in pomemben igralec na globalnem trgu).
ModelSim/QuestaSim: Široko uporabljeno simulacijsko orodje za zasnove Verilog in VHDL.
Active-HDL: Še eno priljubljeno orodje za simulacijo in načrtovanje HDL.
GHDL: Brezplačen in odprtokodni VHDL prevajalnik.

Viri za učenje programiranja FPGA

Obstaja veliko virov, ki vam lahko pomagajo pri učenju in izboljšanju vaših veščin pri programiranju FPGA:

Dokumentacija ponudnikov FPGA: Xilinx in Intel zagotavljata obsežno dokumentacijo, vključno z uporabniškimi vodniki, opombami k aplikacijam in vadnicami.
Spletni tečaji: Platforme, kot so Coursera, edX in Udemy, ponujajo različne tečaje programiranja FPGA.
Knjige: Številne knjige pokrivajo metodologije Verilog, VHDL in načrtovanja FPGA.
Forumi in skupnosti: Spletni forumi in skupnosti, kot so Stack Overflow in podredditi, povezani z FPGA, nudijo dragoceno podporo in priložnosti za sodelovanje.
Vadnice in primeri: Spletna mesta in blogi, namenjeni programiranju FPGA, ponujajo vadnice in praktične primere.

Zaključek

Programiranje FPGA z Verilogom in VHDL je zahtevno, a nagrajujoče področje. FPGA nudijo prilagodljivost in zmogljivost, zaradi česar so primerni za široko paleto aplikacij. Ta vodnik je ponudil pregled ključnih konceptov, orodij in metodologij, vključenih v načrtovanje FPGA. Ne glede na to, ali ste študent, inženir ali raziskovalec, je razumevanje programiranja FPGA ključnega pomena za razvoj najsodobnejših digitalnih sistemov.

Z nadaljevanjem razvoja tehnologije bodo FPGA še naprej igrale ključno vlogo v različnih panogah po vsem svetu. Obvladovanje HDL, kot sta Verilog in VHDL, vam bo zagotovilo veščine, potrebne za načrtovanje in implementacijo inovativnih rešitev za prihodnost. Z upoštevanjem najboljših praks, izkoriščanjem razpoložljivih virov in nenehnim širjenjem svojega znanja lahko postanete vešči v dinamičnem svetu programiranja FPGA.