M

MLOG

Українська

Вивчіть світ програмування FPGA з нашим поглибленим посібником з Verilog та VHDL. Дізнайтеся про мови опису апаратного забезпечення, методології проектування та глобальні застосування в різних галузях.

Програмування FPGA: всеосяжний посібник з Verilog та VHDL

Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) - це універсальні інтегральні схеми, які можна переналаштувати після виготовлення. Ця гнучкість робить їх важливими для широкого спектру застосувань, від високопродуктивних обчислень та телекомунікацій до автомобільної та аерокосмічної промисловості в усьому світі. Програмування FPGA значною мірою базується на мовах опису апаратного забезпечення (HDL), причому Verilog та VHDL є домінуючим вибором. Цей посібник містить всеосяжний огляд програмування FPGA з використанням цих двох мов, призначений як для початківців, так і для досвідчених інженерів.

Розуміння FPGA та їх застосування

FPGA пропонують значну перевагу перед спеціалізованими інтегральними схемами (ASIC) завдяки їх перепрограмованості. На відміну від ASIC, які розроблені для певної функції і не можуть бути змінені після виготовлення, FPGA можна налаштувати для реалізації різних цифрових схем. Ця адаптивність має вирішальне значення у швидко розвиваючихся технологічних ландшафтах, де вимоги часто змінюються. Розглянемо, наприклад, розробку систем зв'язку 5G. FPGA забезпечують швидке прототипування та розгортання передових алгоритмів обробки сигналів порівняно з традиційними циклами розробки ASIC. Подібним чином, в автомобільній промисловості FPGA використовуються в передових системах допомоги водієві (ADAS) для забезпечення обробки даних з датчиків у реальному часі, забезпечуючи безпеку та ефективність.

Застосування FPGA є величезними і продовжують зростати:

Розуміння основних принципів та методологій програмування є ключем до ефективного використання потужності FPGA. Це починається з міцної основи в HDL.

Verilog проти VHDL: порівняльний огляд

Verilog та VHDL - це дві основні HDL, які використовуються для проектування та програмування FPGA. Обидві мови призначені для опису поведінки та структури цифрових схем. Однак вони відрізняються синтаксисом, філософією та підтримкою спільноти.

Verilog

Verilog - це мова опису апаратного забезпечення, спочатку створена в 1984 році, а пізніше стандартизована IEEE як IEEE 1364. Verilog відомий своїм стислим синтаксисом, що нагадує мову програмування C. Ця схожість часто полегшує інженерам з досвідом роботи з програмним забезпеченням вивчення та використання Verilog. Він підкреслює простоту використання та пропонує відносно простий підхід до опису апаратного забезпечення. Мова має велику базу користувачів, і в Інтернеті легко доступні великі ресурси, що полегшує пошук відповідей на ваші запити. Основні постачальники FPGA, такі як Xilinx та Intel, надають комплексні інструменти та бібліотеки для підтримки дизайнів на основі Verilog.

VHDL

VHDL (VHSIC Hardware Description Language) була розроблена на початку 1980-х років за ініціативою Міністерства оборони США, а пізніше стандартизована IEEE як IEEE 1076. VHDL - це строго типізована мова з більш формальним і структурованим синтаксисом порівняно з Verilog. Вона пропонує надійні функції для перевірки проекту та має сильну підтримку моделювання та синтезу. Акцент VHDL на суворих принципах проектування робить її придатною для складних проектів, де надійність та зручність обслуговування мають першорядне значення. Мова також підтримує широкий спектр стилів проектування, дозволяючи інженерам описувати поведінку апаратного забезпечення різними способами, включаючи структурне, поведінкове та моделювання потоку даних. Вона також міжнародно визнана та прийнята в Європі, Сполучених Штатах та інших країнах, що робить її розуміння обов’язковим для роботи в міжнародних командах.

Вибір між Verilog та VHDL значною мірою залежить від вимог проекту, переваг команди та наявних ресурсів. В останні роки тенденція зійшлася з більшою перехресною підтримкою від постачальників інструментів EDA, що робить розрив менш очевидним. У більшості випадків найкращий вибір залежить від культури компанії чи проекту.

Початок роботи з програмуванням Verilog

Давайте заглибимося в основи програмування Verilog. Ми розглянемо синтаксис і структуру через практичні приклади.

Основи синтаксису Verilog

Код Verilog структурований у модулі. Модуль є основним будівельним блоком дизайну. Кожен модуль має ім'я, вхідні та вихідні порти та опис функціональності схеми. Ось базовий приклад для простого логічного елемента AND:


module and_gate (
    input a, // Вхідний сигнал a
    input b, // Вхідний сигнал b
    output y  // Вихідний сигнал y
);

    assign y = a & b; // Операція логічного AND

endmodule

У цьому прикладі:

Типи даних у Verilog

Verilog підтримує кілька типів даних, які є фундаментальними для цифрового проектування:

Наприклад:


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

Тут data_in - однобітна дрота, data_out - 8-бітовий регістр, а WIDTH - параметр зі значенням 8. Ця здатність оголошувати ширину за допомогою параметрів, таких як ширина бітів шини даних, сприяє зручності читання, повторному використанню та зручності супроводження коду.

Поведінкове моделювання

Поведінкове моделювання описує функцію схеми без вказівки її структури за допомогою структурного проектування. Він використовує логічні операції, такі як оператори assign та процедурні блоки, такі як блоки always.


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

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

endmodule

У цьому прикладі блок always @(*) описує поведінку суматора: вихід `sum` є сумою входів 'a' та 'b'. `*` означає, що процес має виконуватися, якщо змінюється будь-яке зі вказаних значень. Цей тип моделювання дуже корисний для швидкої реалізації схеми на високому рівні абстракції.

Структурне моделювання

Структурне моделювання визначає схему шляхом підключення попередньо визначених компонентів. Він пропонує явний контроль над взаємоз'єднанням окремих вентилів, тригерів та інших фундаментальних блоків.


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

У цьому прикладі визначається повний суматор, використовуючи основні логічні елементи. Елементи 'xor', 'and' та 'or' інстанціюються та взаємоз'єднуються для формування повного суматора. Цей стиль проектування дуже корисний для безпосереднього контролю над архітектурою цифрової схеми.

Початок роботи з програмуванням VHDL

Давайте заглибимося в основи програмування VHDL, включаючи його синтаксис, структуру та практичні приклади.

Основи синтаксису VHDL

Код VHDL організований в сутності та архітектури. Сутність визначає зовнішній інтерфейс модуля (порти), тоді як архітектура описує його внутрішню реалізацію.


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;

У цьому прикладі:

Типи даних у VHDL

VHDL пропонує багатий набір типів даних, які є важливими для цифрового проектування:

Наприклад:


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

Тут data_in - однобітовий сигнал, data_out - 8-бітовий сигнал, а WIDTH - константа зі значенням 8. Ці типи даних допомагають розробникам створювати більш складні схеми, представляючи дані та сигнали надійним та чітко визначеним способом.

Поведінкове моделювання

Поведінкове моделювання у VHDL описує функціональну поведінку схеми, використовуючи процеси та одночасні оператори. Процеси містять послідовні оператори, які виконуються при зміні певних умов (сигналів). Процес зазвичай реагує на входи та відповідно оновлює виходи.


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;

У цьому прикладі блок process (a, b) описує поведінку суматора. Функція unsigned() з бібліотеки numeric_std використовується для перетворення типів std_logic_vector у беззнаковий тип даних і, таким чином, для виконання арифметичних операцій.

Структурне моделювання

Структурне моделювання описує схему шляхом інстанціювання та підключення попередньо визначених компонентів.


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;

У цій реалізації повного суматора компоненти 'xor_gate', 'and_gate' та 'or_gate' інстанціюються та взаємоз'єднуються, забезпечуючи явний структурний вигляд схеми. Кожен інстанційований компонент повинен бути пов’язаний з базовим дизайном (архітектурою, яка реалізує цей компонент), інакше виникне помилка.

Потік проектування FPGA: від концепції до реалізації

Потік проектування FPGA включає серію кроків, від початкової специфікації проекту до остаточної реалізації на пристрої FPGA. Цей процес забезпечує ефективний дизайн та зменшує ймовірність помилок.

1. Специфікація проекту

Першим кроком є визначення вимог та функціональності проекту. Це включає визначення входів, виходів та бажаної поведінки схеми. Це передбачає відповіді на ключові питання: яку проблему ви намагаєтеся вирішити? Які у вас входи? Які виходи вам потрібні? Які вимоги до часу? Відповіді на ці питання формують специфікації для дизайну.

2. Кодування RTL (Verilog або VHDL)

Потім проект описується за допомогою HDL (Verilog або VHDL). Цей крок передбачає перетворення специфікацій проекту в код, який описує поведінку та структуру схеми. Вибір мови (Verilog або VHDL) залежить від вимог проекту та переваг інженера, як обговорювалося раніше. Саме тут вступають у гру приклади, які ми розглянули. Саме тут ми використовуємо те, що знаємо про поведінкове або структурне моделювання, та інші концепції мови, щоб перетворити дизайн на рядки коду HDL.

3. Моделювання

Моделювання - це вирішальний крок для перевірки функціональності дизайну. Інструменти моделювання, такі як ModelSim та Vivado Simulator, використовують тестові стенди для моделювання дизайну та перевірки його продуктивності за різних умов введення. Це допомагає у виявленні та виправленні помилок проектування перед реалізацією на апаратному забезпеченні. Ви часто будете виявляти, що виправляєте код HDL в моделюванні, щоб переконатися, що він працює належним чином.

4. Синтез

Синтез перетворює код HDL у мережевий список базових логічних елементів та взаємоз’єднань. Інструменти синтезу, надані постачальниками FPGA, такими як Xilinx та Intel, оптимізують дизайн для цільового пристрою FPGA, враховуючи такі обмеження, як час та площа. Цей етап визначає, що насправді буде робити FPGA при реалізації.

5. Реалізація (Розміщення та маршрутизація)

Реалізація передбачає розміщення логічних елементів та взаємоз’єднань на фізичні ресурси FPGA та маршрутизацію взаємоз’єднань. Цей крок має вирішальне значення для досягнення бажаної продуктивності та забезпечення відповідності дизайну обмеженням за часом. На цьому етапі використовуються інструменти оптимізації.

6. Створення бітового потоку

Після реалізації генерується файл бітового потоку. Цей файл містить дані конфігурації, необхідні для програмування пристрою FPGA. Потім це використовується для завантаження мікросхеми FPGA з дизайном.

7. Тестування та налагодження апаратного забезпечення

Останній крок передбачає тестування реалізованого дизайну на апаратному забезпеченні FPGA. Це вимагає підключення FPGA до зовнішніх компонентів та перевірки її функціональності. Інструменти та методи налагодження використовуються для виявлення та вирішення будь-яких проблем, пов'язаних з апаратним забезпеченням.

Розширені концепції програмування FPGA

Ознайомившись з основами програмування Verilog та VHDL, ви можете вивчити розширені концепції для розширення своїх можливостей проектування та оптимізації продуктивності.

1. Скінченні автомати

Скінченні автомати є основою для реалізації послідовної логіки в цифрових проектах. Вони використовуються для контролю роботи схеми з часом. Розуміння скінченних автоматів та їх проектування з HDL є важливою навичкою для багатьох програм FPGA.

2. Перетин домену тактування (CDC)

Коли різні частини дизайну працюють на різних частотах тактування, важливо правильно обробляти перетин домену тактування (CDC), щоб уникнути метастабільності та пошкодження даних. Це вимагає реалізації методів синхронізації, таких як використання синхронізаторів та FIFOs.

3. Фільтри з кінцевою імпульсною характеристикою (FIR)

Фільтри FIR широко використовуються в програмах обробки сигналів. Проектування фільтра FIR на основі HDL передбачає реалізацію певних алгоритмів у апаратному забезпеченні для відфільтровування шуму або зосередження на сигналах, що цікавлять.

4. Інтерфейси пам'яті

Інтерфейс із зовнішніми пристроями пам'яті, такими як SRAM або DDR SDRAM, є загальною вимогою в проектах FPGA. Це передбачає проектування контролерів пам'яті, які можуть ефективно зчитувати та записувати дані в пам'ять.

5. IP ядра

IP (Intellectual Property) ядра - це попередньо розроблені та попередньо перевірені блоки цифрової логіки, які можна інтегрувати в дизайн FPGA. Використання IP ядер прискорює розробку та зменшує зусилля на проектування. Поширені приклади включають контролери Ethernet, інтерфейси USB та блоки DSP.

Найкращі практики програмування FPGA

Дотримання найкращих практик може допомогти покращити якість, продуктивність та зручність обслуговування ваших проектів FPGA.

Інструменти програмування FPGA та середовища розробки

Для підтримки потоку проектування FPGA доступні різні інструменти та середовища розробки. Деякі з найпопулярніших включають:

Ресурси для вивчення програмування FPGA

Є багато ресурсів, які допоможуть вам вивчити та покращити свої навички програмування FPGA:

Висновок

Програмування FPGA з Verilog та VHDL - складна, але корисна область. FPGA пропонують гнучкість і продуктивність, що робить їх придатними для широкого спектру застосувань. Цей посібник надав огляд ключових понять, інструментів та методологій, задіяних у проектуванні FPGA. Незалежно від того, чи є ви студентом, інженером чи дослідником, розуміння програмування FPGA має вирішальне значення для розробки передових цифрових систем.

Оскільки технології продовжують розвиватися, FPGA продовжуватимуть відігравати життєво важливу роль у різних галузях промисловості в усьому світі. Оволодіння HDL, таких як Verilog та VHDL, надасть вам навички, необхідні для проектування та реалізації інноваційних рішень для майбутнього. Дотримуючись найкращих практик, використовуючи доступні ресурси та постійно розширюючи свої знання, ви можете стати професіоналом у динамічному світі програмування FPGA.