FPGA-programmering: En omfattande guide till Verilog och VHDL

Fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) är mångsidiga integrerade kretsar som kan omkonfigureras efter tillverkning. Denna flexibilitet gör dem oumbärliga för ett brett spektrum av tillämpningar, från högpresterande databehandling och telekommunikation till fordons- och flygindustrin världen över. Programmering av FPGA:er förlitar sig starkt på hårdvarubeskrivande språk (HDL), där Verilog och VHDL är de dominerande valen. Denna guide ger en omfattande översikt över FPGA-programmering med dessa två språk, och riktar sig till både nybörjare och erfarna ingenjörer.

Förståelse för FPGA:er och deras tillämpningar

FPGA:er erbjuder en betydande fördel jämfört med applikationsspecifika integrerade kretsar (ASIC) på grund av sin omprogrammerbarhet. Till skillnad från ASIC:er, som är utformade för en specifik funktion och inte kan ändras efter tillverkning, kan FPGA:er anpassas för att implementera olika digitala kretsar. Denna anpassningsförmåga är avgörande i snabbt föränderliga tekniska landskap där kraven ofta ändras. Tänk till exempel på utvecklingen av 5G-kommunikationssystem. FPGA:er möjliggör snabbare prototyputveckling och driftsättning av avancerade signalbehandlingsalgoritmer jämfört med traditionella ASIC-utvecklingscykler. På samma sätt används FPGA:er inom fordonsindustrin i avancerade förarassistanssystem (ADAS) för att tillhandahålla realtidsbearbetning av sensordata, vilket garanterar säkerhet och effektivitet.

Tillämpningarna för FPGA:er är enorma och fortsätter att växa:

• Telekommunikation: 5G-basstationer, routrar och nätverksswitchar.
• Flyg & Försvar: Radarsystem, avionik och satellitkommunikation.
• Fordonsindustrin: ADAS, infotainmentsystem och motorstyrenheter.
• Industriell automation: Robotik, maskinseende och programmerbara styrsystem (PLC).
• Datacenter: Högpresterande databehandling, nätverksacceleration och lagringslösningar.
• Konsumentelektronik: Bildbehandling i kameror och skärmar.

Att förstå de underliggande principerna och programmeringsmetoderna är nyckeln till att effektivt utnyttja kraften i FPGA:er. Detta börjar med en stark grund i HDL.

Verilog vs. VHDL: En jämförande översikt

Verilog och VHDL är de två primära HDL som används för att designa och programmera FPGA:er. Båda språken är utformade för att beskriva beteendet och strukturen hos digitala kretsar. De skiljer sig dock åt i syntax, filosofi och community-stöd.

Verilog

Verilog är ett hårdvarubeskrivande språk som ursprungligen skapades 1984 och senare standardiserades av IEEE som IEEE 1364. Verilog är känt för sin koncisa syntax, som påminner om programmeringsspråket C. Denna likhet gör det ofta lättare för ingenjörer med en mjukvarubakgrund att lära sig och använda Verilog. Det betonar användarvänlighet och erbjuder ett relativt okomplicerat sätt att beskriva hårdvara. Språket har en stor användarbas och omfattande resurser är lättillgängliga på internet, vilket gör det lättare att hitta svar på dina frågor. Stora FPGA-leverantörer som Xilinx och Intel tillhandahåller omfattande verktyg och bibliotek för att stödja Verilog-baserade designer.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) utvecklades i början av 1980-talet på initiativ av det amerikanska försvarsdepartementet och standardiserades senare av IEEE som IEEE 1076. VHDL är ett starkt typat språk med en mer formell och strukturerad syntax jämfört med Verilog. Det erbjuder robusta funktioner för designverifiering och har starkt stöd för simulering och syntes. VHDL:s betoning på rigorösa designprinciper gör det lämpligt för komplexa projekt där pålitlighet och underhållbarhet är av yttersta vikt. Språket stöder också ett brett utbud av designstilar, vilket gör det möjligt för ingenjörer att beskriva hårdvarubeteende på olika sätt, inklusive strukturell, beteendemässig och dataflödesmodellering. Det är också internationellt erkänt och antaget i Europa, USA och på andra håll, vilket gör förståelsen av det avgörande för att arbeta i internationella team.

Valet mellan Verilog och VHDL beror till stor del på projektkrav, teampreferenser och tillgängliga resurser. Under de senaste åren har trenden konvergerat med mer korsstöd från EDA-verktygsleverantörer, vilket gör skillnaden mindre uppenbar. I de flesta fall beror det bästa valet på företagets eller projektets kultur.

Kom igång med Verilog-programmering

Låt oss fördjupa oss i grunderna för Verilog-programmering. Vi kommer att utforska syntax och struktur genom praktiska exempel.

Grundläggande Verilog-syntax

Verilog-kod är strukturerad i moduler. En modul är den grundläggande byggstenen i en design. Varje modul har ett namn, in- och utgångsportar och en beskrivning av kretsens funktionalitet. Här är ett grundläggande exempel på en enkel AND-grind:

            
module and_gate (
    input a, // Insignal a
    input b, // Insignal b
    output y  // Utsignal y
);

    assign y = a & b; // Logisk AND-operation

endmodule

            

              
                Copy
              
            
          

I detta exempel:

• module and_gate deklarerar en modul med namnet 'and_gate'.
• input a, b och output y definierar in- och utsignalerna.
• assign y = a & b; beskriver beteendet hos AND-grinden, där utsignalen 'y' är den logiska AND-operationen av insignalerna 'a' och 'b'.

Datatyper i Verilog

Verilog stöder flera datatyper som är grundläggande för digital design:

• wire: Representerar en fysisk anslutning mellan kretselement.
• reg: Representerar ett lagringselement, såsom ett register.
• integer: Representerar ett heltal med tecken.
• real: Representerar ett flyttal.
• parameter: Definierar konstanter som används i designen.

Till exempel:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Här är data_in en enbits-wire, data_out är ett 8-bitars register, och WIDTH är en parameter med värdet 8. Denna förmåga att deklarera bredder med hjälp av parametrar, såsom bitbredden på en databuss, främjar läsbarhet, återanvändning och underhållbarhet av kod.

Beteendemässig modellering

Beteendemässig modellering beskriver funktionen hos en krets utan att specificera dess struktur med strukturell design. Den använder logiska operationer såsom assign-satser och procedurella block som always-block.

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

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

endmodule

            

              
                Copy
              
            
          

I detta exempel beskriver always @(*)-blocket adderarens beteende: utsignalen `sum` är summan av insignalerna 'a' och 'b'. `*` betyder att processen ska exekveras om något av de listade värdena ändras. Denna typ av modellering är mycket användbar för att snabbt implementera en krets på en hög abstraktionsnivå.

Strukturell modellering

Strukturell modellering definierar en krets genom att ansluta fördefinierade komponenter. Den erbjuder explicit kontroll över sammankopplingen av enskilda grindar, vippor och andra grundläggande block.

            
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

            

              
                Copy
              
            
          

Detta exempel definierar en fulladderare med hjälp av grundläggande grindar. 'xor'-, 'and'- och 'or'-grindarna instansieras och kopplas samman för att bilda den kompletta adderaren. Denna designstil är mycket användbar för att ha direkt kontroll över arkitekturen hos en digital krets.

Kom igång med VHDL-programmering

Låt oss fördjupa oss i grunderna för VHDL-programmering, inklusive dess syntax, struktur och praktiska exempel.

Grundläggande VHDL-syntax

VHDL-kod är organiserad i entiteter och arkitekturer. En entitet definierar det externa gränssnittet för en modul (portar), medan en arkitektur beskriver dess interna implementation.

            
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;

            

              
                Copy
              
            
          

I detta exempel:

• library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; inkluderar standardbiblioteket.
• entity and_gate deklarerar en entitet med namnet 'and_gate'.
• port (a : in std_logic; b : in std_logic; y : out std_logic) definierar in- och utsignalerna. std_logic representerar en enbitssignal.
• architecture behavioral beskriver beteendet hos AND-grinden.
• y <= a and b; implementerar AND-operationen.

Datatyper i VHDL

VHDL erbjuder en rik uppsättning datatyper som är väsentliga för digital design:

• std_logic: Representerar en enbitssignal (0, 1, X, Z, etc.).
• std_logic_vector: Representerar en flerbittsignal.
• integer: Representerar ett heltal.
• boolean: Representerar ett booleskt värde (TRUE eller FALSE).
• bit: Representerar en enskild bit (0 eller 1).

Till exempel:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Här är data_in en enbitssignal, data_out är en 8-bitarssignal, och WIDTH är en konstant med värdet 8. Dessa datatyper hjälper designers att bygga mer komplexa kretsar genom att representera data och signaler på ett tillförlitligt och väldefinierat sätt.

Beteendemässig modellering

Beteendemässig modellering i VHDL beskriver det funktionella beteendet hos en krets med hjälp av processer och samtidiga satser. Processer innehåller sekventiella satser som exekveras när vissa villkor (signaler) ändras. Processen svarar vanligtvis på insignalerna och uppdaterar utsignalerna därefter.

            
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;

            

              
                Copy
              
            
          

I detta exempel beskriver process (a, b)-blocket adderarens beteende. Funktionen unsigned() från numeric_std-biblioteket används för att konvertera std_logic_vector-typer till en osignerad datatyp och därmed utföra aritmetik.

Strukturell modellering

Strukturell modellering beskriver en krets genom att instansiera och ansluta fördefinierade komponenter.

            
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;

            

              
                Copy
              
            
          

I denna fulladderar-implementering instansieras och sammankopplas komponenterna 'xor_gate', 'and_gate' och 'or_gate', vilket ger en explicit strukturell vy av kretsen. Varje instansierad komponent måste vara länkad till den underliggande designen (arkitekturen som implementerar den komponenten), annars uppstår ett fel.

FPGA-designflöde: Från koncept till implementering

FPGA-designflödet innefattar en serie steg, från den initiala designspecifikationen till den slutliga implementeringen på FPGA-enheten. Denna process säkerställer en effektiv design och minskar risken för fel.

1. Designspecifikation

Det första steget är att definiera kraven och funktionaliteten för designen. Detta inkluderar att bestämma insignaler, utsignaler och önskat beteende hos kretsen. Det innebär att besvara nyckelfrågorna: vilket problem försöker du lösa? Vilka insignaler har du? Vilka utsignaler behöver du? Vilka är tidskraven? Svaren på dessa frågor utgör specifikationerna för designen.

2. RTL-kodning (Verilog eller VHDL)

Designen beskrivs sedan med hjälp av ett HDL (Verilog eller VHDL). Detta steg innebär att översätta designspecifikationerna till kod som beskriver kretsens beteende och struktur. Valet av språk (Verilog eller VHDL) beror på projektkraven och ingenjörens preferenser, som tidigare diskuterats. Det är här de exempel vi har gått igenom kommer in i bilden. Det är här vi använder det vi vet om beteendemässig eller strukturell modellering och andra koncept i språket för att översätta designen till rader av HDL-kod.

3. Simulering

Simulering är ett avgörande steg för att verifiera designens funktionalitet. Simuleringsverktyg, såsom ModelSim och Vivado Simulator, använder testbänkar för att simulera designen och kontrollera dess prestanda under olika ingångsförhållanden. Detta hjälper till att identifiera och åtgärda designfel innan implementering på hårdvaran. Du kommer ofta att finna dig själv felsökande HDL-koden i simuleringen för att säkerställa att den fungerar som förväntat.

4. Syntes

Syntes översätter HDL-koden till en netlista av grundläggande logiska grindar och sammankopplingar. Syntesverktyg, som tillhandahålls av FPGA-leverantörer som Xilinx och Intel, optimerar designen för den specifika FPGA-enheten, med hänsyn till begränsningar som timing och yta. Detta steg avgör vad FPGA:n faktiskt kommer att göra när den implementeras.

5. Implementering (Placering & Routning)

Implementering innebär att placera de logiska grindarna och sammankopplingarna på FPGA:ns fysiska resurser och dra ledningarna mellan dem. Detta steg är avgörande för att uppnå önskad prestanda och säkerställa att designen uppfyller tidskraven. Optimeringsverktyg används i detta skede.

6. Generering av bitström

Efter implementeringen genereras en bitströmsfil. Denna fil innehåller konfigurationsdata som behövs för att programmera FPGA-enheten. Denna används sedan för att ladda upp designen till FPGA-chippet.

7. Hårdvarutestning och felsökning

Det sista steget innebär att testa den implementerade designen på FPGA-hårdvaran. Detta kräver att man ansluter FPGA:n till externa komponenter och verifierar dess funktionalitet. Felsökningsverktyg och tekniker används för att identifiera och lösa eventuella hårdvarurelaterade problem.

Avancerade koncept inom FPGA-programmering

När du är bekant med grunderna i Verilog- och VHDL-programmering kan du utforska avancerade koncept för att förbättra dina designmöjligheter och optimera prestanda.

1. Tillståndsmaskiner

Tillståndsmaskiner är grundläggande för att implementera sekventiell logik i digitala designer. De används för att styra driften av en krets över tid. Att förstå tillståndsmaskiner och deras design med HDL är en väsentlig färdighet för många FPGA-tillämpningar.

2. Klockdomänövergång (CDC)

När olika delar av en design arbetar med olika klockfrekvenser är det avgörande att hantera klockdomänövergångar (CDC) korrekt för att undvika metastabilitet och datakorruption. Detta kräver implementering av synkroniseringstekniker, såsom att använda synkroniserare och FIFO:er.

3. FIR-filter (Finite Impulse Response)

FIR-filter används i stor utsträckning i signalbehandlingsapplikationer. HDL-baserad FIR-filterdesign innebär att man implementerar specifika algoritmer i hårdvara för att filtrera bort brus eller fokusera på intressanta signaler.

4. Minnesgränssnitt

Att ansluta till externa minnesenheter, såsom SRAM eller DDR SDRAM, är ett vanligt krav i FPGA-designer. Detta innebär att man designar minneskontroller som effektivt kan läsa och skriva data till minnet.

5. IP-kärnor

IP-kärnor (Intellectual Property) är fördesignade och förverifierade block av digital logik som kan integreras i en FPGA-design. Att använda IP-kärnor påskyndar utvecklingen och minskar designinsatsen. Vanliga exempel inkluderar Ethernet-kontroller, USB-gränssnitt och DSP-block.

Bästa praxis för FPGA-programmering

Att följa bästa praxis kan hjälpa till att förbättra kvaliteten, prestandan och underhållbarheten hos dina FPGA-designer.

• Använd en konsekvent kodstil: Anta en konsekvent kodstil (t.ex. indentering, namngivningskonventioner) för läsbarhet och underhållbarhet.
• Skriv modulär kod: Bryt ner komplexa designer i mindre, återanvändbara moduler.
• Kommentera koden noggrant: Lägg till tydliga och koncisa kommentarer för att förklara funktionaliteten hos varje modul, signal och process.
• Använd simulering effektivt: Utför noggranna simuleringar för att verifiera din designs funktionalitet och fånga fel tidigt.
• Implementera testbänkar: Utveckla omfattande testbänkar för att simulera olika scenarier och testa designens robusthet.
• Följ tidskrav: Följ tidskraven för att säkerställa att designen uppfyller prestandakraven.
• Optimera resursanvändning: Optimera designen för den specifika FPGA-enheten för att minimera resursutnyttjandet (t.ex. LUTs, vippor, minne).
• Granska designer: Låt kollegor granska din kod för att identifiera potentiella problem och förbättra kvaliteten.
• Använd versionshantering: Implementera versionshanteringssystem (t.ex. Git) för att spåra ändringar och hantera olika versioner av din design.

Verktyg och utvecklingsmiljöer för FPGA-programmering

Olika verktyg och utvecklingsmiljöer finns tillgängliga för att stödja FPGA-designflödet. Några av de mest populära inkluderar:

• Xilinx Vivado: En omfattande designmiljö för Xilinx FPGA:er, inklusive simulerings-, syntes- och implementeringsverktyg. (Xilinx, ett USA-baserat företag, stöder global design).
• Intel Quartus Prime: En omfattande designmiljö för Intel (tidigare Altera) FPGA:er, som också erbjuder simulerings-, syntes- och implementeringsverktyg. (Intel, ett annat USA-baserat företag och en stor aktör på den globala marknaden).
• ModelSim/QuestaSim: Ett allmänt använt simuleringsverktyg för Verilog- och VHDL-designer.
• Active-HDL: Ett annat populärt HDL-simulerings- och designverktyg.
• GHDL: En gratis VHDL-kompilator med öppen källkod.

Resurser för att lära sig FPGA-programmering

Det finns många resurser tillgängliga för att hjälpa dig att lära dig och förbättra dina färdigheter inom FPGA-programmering:

• FPGA-leverantörsdokumentation: Xilinx och Intel tillhandahåller omfattande dokumentation, inklusive användarhandböcker, applikationsnoter och handledningar.
• Onlinekurser: Plattformar som Coursera, edX och Udemy erbjuder olika kurser i FPGA-programmering.
• Böcker: Ett flertal böcker täcker Verilog, VHDL och FPGA-designmetoder.
• Forum och communities: Onlineforum och communities, såsom Stack Overflow och FPGA-relaterade subreddits, ger värdefullt stöd och samarbetsmöjligheter.
• Handledningar och exempel: Webbplatser och bloggar dedikerade till FPGA-programmering erbjuder handledningar och praktiska exempel.

Slutsats

FPGA-programmering med Verilog och VHDL är ett utmanande men givande fält. FPGA:er erbjuder flexibilitet och prestanda, vilket gör dem lämpliga för ett brett spektrum av tillämpningar. Denna guide har gett en översikt över de viktigaste koncepten, verktygen och metoderna som är involverade i FPGA-design. Oavsett om du är student, ingenjör eller forskare är förståelse för FPGA-programmering avgörande för att utveckla banbrytande digitala system.

I takt med att tekniken fortsätter att utvecklas kommer FPGA:er att fortsätta spela en avgörande roll i olika branscher globalt. Att behärska HDL som Verilog och VHDL kommer att ge dig de färdigheter som krävs för att designa och implementera innovativa lösningar för framtiden. Genom att följa bästa praxis, utnyttja tillgängliga resurser och kontinuerligt utöka din kunskap kan du bli skicklig i den dynamiska världen av FPGA-programmering.