В мире бесконечного технологического прогресса есть одна аббревиатура, которая продолжает подогревать любопытство и способствовать переменам — FPGA. Этот загадочный термин, обозначающий программируемую вентильную решетку, символизирует гибкую электронику и цифровое полотно, которое можно соткать для многократного использования. В этой статье мы отправляемся в путешествие, чтобы раскрыть суть FPGA, раскрывая ее сложную работу, разнообразные применения и силу, которую она дает современным инновациям.
Краткое содержание статьи
·Что такое программирование на месте?
Что такое ПЛИС?
АнПЛИС(Программируемая пользователем вентильная матрица) — это реконфигурируемая микросхема, которую можно запрограммировать для выполнения конкретных задач, настраивая цифровую логику в соответствии с уникальными требованиями данного приложения.
FPGA — это продукт дальнейшей разработки на основе программируемых устройств, таких как PAL (программируемая логика массива) и GAL (логика общего массива). Он возник как полузаказная схема в области интегральных схем специального назначения (ASIC), которая не только устраняет недостатки нестандартных схем, но также преодолевает недостатки ограниченного числа исходных вентилей программируемых устройств.
FPGA была изобретена Россом Фрименом, одним из основателей Xilinx, в 1985 году и представляет собой разновидность программируемого логического устройства (PLD). На этот раз примерно на 20 лет позже, чем был принят знаменитый закон Мура, но как только была изобретена FPGA, последующее развитие было быстрее, чем воображение большинства людей.
Что такое программирование на месте?
Программируемые на месте относятся к технологиям или устройствам, которые могут быть реконфигурированы или настроены пользователями или разработчиками после производства.
Эта возможность перепрограммировать аппаратное обеспечение «на месте» развертывания устройства дает FPGA замечательную адаптивность. В отличие от специализированных интегральных схем (ASIC), которые высечены в камне после изготовления, FPGA подобны электронным хамелеонам, готовым менять цвет и форму для решения новых задач.
Архитектура ПЛИС
Представьте себе сложную головоломку, где каждая деталь представляет собой уникальную функцию, и вы можете расположить их так, как захотите. Это природа архитектуры FPGA.
FPGA в основном состоит из шести частей, а именно: программируемый блок ввода и вывода, базовый программируемый логический блок, полное управление тактовой частотой, встроенное блочное ОЗУ, богатые ресурсы проводки, встроенные базовые функциональные блоки и встроенные специализированные аппаратные модули.
Как работают FPGA?
FPGA работают, предоставляя реконфигурируемую аппаратную платформу, которая позволяет пользователям определять и реализовывать собственные цифровые схемы.
Углубляясь в механику FPGA, мы обнаруживаем процесс, который соединяет воображение и реальность. Используя языки описания аппаратного обеспечения, инженеры могут создавать цифровые проекты, напоминающие чертежи. Путем синтеза эти проекты превращаются в конфигурации, которые определяют поведение FPGA. Эти конфигурации загружаются в FPGA, чтобы вдохнуть жизнь в цифровые схемы внутри. В результате получается динамичный, реконфигурируемый объект, адаптированный для удовлетворения конкретных потребностей.
Конкретный принцип работы заключается в следующем:
Конфигурация: После включения FPGA находится в ненастроенном состоянии. Требуемая функциональность FPGA определяется посредством процесса, называемого конфигурацией. Данные конфигурации, обычно генерируемые с использованием языка описания оборудования (HDL), такого как Verilog или VHDL, описывают взаимосвязь между логическими элементами, то, как эти элементы ведут себя и как они должны взаимодействовать.
Компиляция и синтез: HDL-код обрабатывается специализированными программными средствами. Эти инструменты выполняют синтез, который включает преобразование HDL-описания в представление логики схемы и соединений в виде списка соединений. Эти инструменты также сопоставляют этот список соединений с ресурсами FPGA, определяя, как используются логические ячейки, межсоединения, блоки памяти и другие компоненты.
Место и маршрут: затем инструменты синтеза выполняют размещение, решая, где физически разместить каждый логический элемент и ресурс на кристалле FPGA. После размещения вступает в игру этап маршрутизации, чтобы определить, как соединить компоненты этих размещений с использованием программируемых ресурсов межсоединения FPGA. Этот шаг направлен на оптимизацию таких факторов, как задержка распространения сигнала и использование ресурсов.
Загрузка конфигурации: После завершения размещения и маршрутизации полученные данные конфигурации загружаются в FPGA. Обычно это делается путем передачи данных из внешней памяти, такой как EEPROM или флэш-память, в ячейки конфигурационной памяти FPGA. Данные конфигурации эффективно определяют поведение логических ячеек FPGA, межсоединений и других ресурсов, указанных в коде HDL.
Операция: После загрузки конфигурации FPGA теперь работает и работает в соответствии с проектом, указанным в HDL. Логические ячейки выполняют необходимые комбинационные и последовательные логические функции и соединяют сигналы маршрутизации между этими ячейками. FPGA могут обрабатывать данные, выполнять вычисления и выполнять собственные алгоритмы в режиме реального времени.
Реконфигурируемость: Одним из главных преимуществ ПЛИС является их реконфигурируемость. Если требуемая функциональность изменится, пользователь может изменить HDL-код, снова пройти процесс компиляции и переконфигурировать FPGA. Такая гибкость делает FPGA идеальными для быстрого прототипирования, итеративной разработки и задач с часто меняющимися требованиями.
Параллелизм и производительность: FPGA превосходно справляются с параллельной обработкой благодаря своей параллельной архитектуре. Несколько логических блоков могут выполнять операции одновременно, и данные могут проходить через соединение FPGA параллельно. Этот параллелизм позволяет FPGA достигать высокого уровня производительности в различных приложениях, таких как цифровая обработка сигналов и аппаратное ускорение.
Преимущества и недостатки
FPGA предлагают гибкость, настройку и высокую производительность для специализированных задач, но они требуют определенных навыков, могут быть более дорогостоящими и иметь ограничения по сравнению с традиционными процессорами или специализированными решениями для конкретных приложений. Выбор использования FPGA зависит от характера приложения и компромиссов, которые лучше всего соответствуют требованиям проекта.
Ниже приведены преимущества и недостатки FPGA.
Преимущество:
Гибкость: FPGA предлагают огромную гибкость. Их можно перепрограммировать для выполнения широкого спектра функций, что позволяет адаптировать их к различным приложениям без изменения физического оборудования.
Кастомизация: Проектировщики могут создавать собственные цифровые схемы в соответствии со своими конкретными потребностями, повышая производительность и эффективность решения специализированных задач.
Быстрое прототипирование: FPGA идеально подходят для быстрого прототипирования. Они позволяют дизайнерам быстро тестировать и совершенствовать свои проекты, значительно сокращая циклы разработки.
Параллельная обработка: FPGA по своей сути поддерживают параллельную обработку, что позволяет им одновременно выполнять несколько задач и ускорять вычисления в таких областях, как обработка сигналов и криптография.
Производительность в реальном времени: FPGA могут обеспечить высокую производительность и низкую задержку, что делает их подходящими для приложений, где обработка в реальном времени имеет решающее значение, таких как робототехника и анализ данных в реальном времени.
Энергоэффективность: В некоторых случаях FPGA более энергоэффективны, чем традиционные процессоры или графические процессоры, поскольку они используют только те ресурсы, которые необходимы для конкретной задачи.
Аппаратное ускорение: FPGA превосходно справляются с аппаратным ускорением, которое разгружает процессор с интенсивными вычислительными задачами, значительно ускоряя работу конкретных приложений, таких как создание логических выводов ИИ и шифрование.
Недостаток:
Комплексное программирование: Проектирование FPGA требует знаний языков описания оборудования (HDL), таких как VHDL или Verilog. Это может усложнить процесс разработки, особенно для разработчиков, ориентированных на программное обеспечение.
Кривая обучения: Эффективное использование FPGA требует обучения как языкам программирования, так и понимания архитектуры FPGA и цепочек инструментов.
Ограничения ресурсов: FPGA имеют ограниченные ресурсы, что может ограничить сложность проектирования. Более крупные и мощные FPGA, как правило, стоят дороже.
Дороже: Хотя FPGA могут обеспечить преимущества в производительности, они обычно дороже, чем процессоры или микроконтроллеры общего назначения из-за их специализированного характера.
Ограниченная производительность с плавающей запятой: В задачах, которые в значительной степени зависят от вычислений с плавающей запятой, таких как некоторые научные симуляции, FPGA могут работать не так хорошо, как графические процессоры или специализированные ASIC.
Компиляция, отнимающая много времени: Компиляция и настройка проектов FPGA может занять много времени, особенно для больших и сложных проектов.
Важная отладка: Отладка конструкции FPGA может оказаться более сложной задачей, чем отладка программного обеспечения, поскольку проблемы могут быть связаны как с аппаратными, так и с программными аспектами.
Языки и платформы проектирования FPGA
Языки проектирования FPGA, включая VHDL и Verilog, предоставляют средства для описания цифровых схем, а платформы и инструменты проектирования FPGA предоставляют инфраструктуру для компиляции, синтеза и настройки этих проектов на FPGA. Выбор языка и платформы зависит от знаний разработчика, сложности проекта и целевого оборудования FPGA.
Язык проектирования ПЛИС:
Языки проектирования FPGA используются для описания поведения и структуры цифровых схем, реализуемых на FPGA. Два широко известных языка:
VHDL (язык описания оборудования VHSIC): VHDL — универсальный и всеобъемлющий язык описания аппаратных систем. Это позволяет дизайнерам определять поведение и структуру схем, что делает их пригодными для сложных проектов. Код VHDL описывает объекты, структуры и процессы, обеспечивая точный контроль над цифровой логикой.
Верилог: Verilog — еще один широко используемый язык описания оборудования. Он обеспечивает функциональность, подобную VHDL, позволяя дизайнерам моделировать поведение и структуру. Verilog обладает возможностями моделирования программ, которые делают его похожим на программирование, которое для некоторых разработчиков более интуитивно понятно.
Платформа проектирования FPGA:
Проектирование FPGA включает не только написание кода, но также компиляцию, синтез и настройку FPGA. Различные платформы и инструменты облегчают этот процесс:
Наборы инструментов для конкретных поставщиков: производители FPGA, такие как Xilinx, Intel (ранее Altera) и Lattice, предоставляют наборы программных инструментов. К ним относятся инструменты ввода проекта, синтеза, размещения и маршрута, моделирования и настройки, адаптированные к семейству FPGA. Примеры включают Xilinx Vivado и Intel Quartus Prime.
Инструменты синтеза высокого уровня (HLS): Инструменты HLS позволяют разработчикам писать алгоритмы на языках программирования высокого уровня, таких как C/C++/SystemC. Инструмент автоматически преобразует этот код в оптимизированное описание оборудования для FPGA, уменьшая необходимость в низкоуровневых описаниях оборудования.
Инструменты с открытым исходным кодом: Такие проекты, как «Yosys» и «Project IceStorm», предоставляют инструменты синтеза с открытым исходным кодом, а также инструменты размещения и маршрутизации для определенных семейств FPGA. Они предоставляют альтернативу инструментам, специфичным для конкретного поставщика, особенно для небольших FPGA.
Интегрированная среда разработки (IDE): Некоторые платформы, такие как Vivado от Xilinx, предоставляют интегрированные среды, в которых дизайнеры могут создавать, моделировать, синтезировать и настраивать свои проекты FPGA в едином интерфейсе.
Онлайн-платформы: Некоторые FPGA предлагают облачные инструменты, которые позволяют удаленно проектировать, моделировать и даже настраивать FPGA с помощью веб-браузера.
Платы разработки: Платы разработки FPGA предоставляют аппаратную платформу для тестирования и реализации проектов FPGA. Они включают в себя микросхемы FPGA, внешнюю память, интерфейсы ввода-вывода и другие компоненты, используемые для создания и тестирования ваших проектов в реальных сценариях.
IP-ядра FPGA: Поставщики FPGA предоставляют предварительно разработанные ядра интеллектуальной собственности (IP), которые можно интегрировать в ваш проект, экономя время и усилия на часто используемых функциях, таких как протоколы связи, контроллеры памяти и блоки цифровой обработки сигналов.
Приложения FPGA
Во всех отраслях FPGA являются катализаторами инноваций. Их адаптивность, мощность параллельной обработки и возможность настройки находят применение в аэрокосмической, автомобильной, медицинской, телекоммуникационной и многих других областях. Они позволяют отраслям освободиться от традиционных ограничений и разработать решения, которые по-новому определяют возможности. Вот некоторые ключевые области, где обычно используются FPGA:
Цифровая обработка сигналов (DSP): FPGA превосходно справляются с задачами обработки сигналов в реальном времени, такими как обработка аудио и видео, распознавание изображений, фильтрация и сжатие. Их параллельная архитектура позволяет эффективно выполнять алгоритмы DSP.
Телекоммуникации: FPGA используются в сетевом оборудовании, таком как маршрутизаторы, коммутаторы и базовые станции, для таких функций, как обработка протоколов, шифрование/дешифрование, коррекция ошибок и обработка пакетов.
Встроенные системы:FPGA могут быть интегрированы во встроенные системы.разгрузить определенные задачи от микроконтроллеров или процессоров. Сюда входит управление двигателем, интерфейс датчиков и индивидуальное управление периферийными устройствами.
Аэрокосмическая и оборонная промышленность: FPGA имеют решающее значение в аэрокосмических приложениях, обеспечивая быстрое время отклика для авионики, радиолокационных систем, систем связи и спутникового управления.
Высокопроизводительные вычисления (HPC): FPGA могут ускорить определенные вычисления в научном моделировании и анализе данных, особенно задачи, которые можно распараллелить, такие как секвенирование генов и криптография.
Машинное обучение и ускорение искусственного интеллекта: Благодаря своим возможностям параллельной обработки FPGA все чаще используются для ускорения алгоритмов машинного обучения и задач вывода ИИ. Они предоставляют энергоэффективные возможности для приложений искусственного интеллекта, работающих в режиме реального времени.
Промышленная автоматизация: FPGA расширяют возможности промышленных систем управления, обеспечивая точный контроль и мониторинг производственных процессов, робототехники и интеграции датчиков.
Медицинская визуализация: FPGA используются в оборудовании медицинской визуализации, таком как МРТ, компьютерные томографы и ультразвуковые аппараты, для обработки данных в реальном времени, реконструкции изображений и сжатия данных.
Тестирование и измерение: FPGA обеспечивают настраиваемое оборудование для испытательного и измерительного оборудования, что позволяет быстро создавать прототипы измерительных решений и анализировать сигналы в реальном времени.
Автомобильная промышленность: FPGA используются в автомобильных приложениях для усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS), информационно-развлекательных систем и блоков управления двигателем, обеспечивая обработку и адаптируемость в реальном времени.
Финансовые услуги: FPGA используются в финансовых торговых системах для выполнения высокочастотной торговли, анализа рисков и сложных вычислений с низкой задержкой.
Бытовая электроника: FPGA широко используются в высококачественных телевизорах, игровых консолях и аудиооборудовании для обработки сигналов, улучшения видео и создания специальных эффектов.
Энергоменеджмент: FPGA могут оптимизировать системы управления питанием путем мониторинга, контроля и регулировки распределения и потребления энергии в режиме реального времени.
Исследования и прототипирование: FPGA являются отличной платформой для тестирования аппаратных проектов и создания прототипов перед созданием специализированной ASIC (интегральной схемы специального назначения).
Безопасность и шифрование: FPGA могут ускорять алгоритмы шифрования для обеспечения безопасности передачи и хранения данных.
производители ПЛИС
Вот некоторые известные производители FPGA:
Xilinx (теперь часть AMD): Xilinx была одним из пионеров в индустрии FPGA. Они предлагают широкий портфель решений FPGA, SoC (система на кристалле) и программируемой логики. Известные своими высокопроизводительными возможностями, ПЛИС Xilinx используются в самых разных отраслях.
Intel (ранее Altera): Intel приобрела Altera, еще одного ведущего производителя FPGA, и их FPGA теперь являются частью линейки продуктов Intel. Intel FPGA используются в центрах обработки данных, сетевых технологиях, автомобилестроении и многих других приложениях.
Решетка полупроводника: Lattice Semiconductor специализируется на маломощных FPGA, программируемых логических устройствах (PLD) и решениях, связанных с FPGA. Они предназначены для приложений, где энергоэффективность и небольшой размер имеют решающее значение.
Микрочип (ранее Actel): Торговая марка FPGA компании Microchip «PolarFire» предназначена для приложений, требующих высокой надежности и низкого энергопотребления. Они специализируются на аэрокосмическом, оборонном, промышленном и автомобильном рынках.
QuickLogic: QuickLogic производит FPGA со сверхнизким энергопотреблением, предназначенные для мобильных и носимых устройств, обеспечивающие эффективную вычислительную мощность для приложений периферийных вычислений.
Ахроникс Полупроводник: Achronix специализируется на высокопроизводительных решениях FPGA для таких приложений, как сети, центры обработки данных и искусственный интеллект. Они также предлагают eFPGA (встроенные FPGA) для интеграции в ASIC и SoC.
Эти производители предлагают целый ряд семейств FPGA, которые удовлетворяют разнообразные потребности: от высокопроизводительных вычислений и ускорения обработки данных до энергозависимых и встраиваемых приложений. Каждая компания предоставляет инструменты разработки, программное обеспечение и поддержку, чтобы помочь инженерам в проектировании и развертывании решений на основе FPGA.
Вы можете отфильтровать и получить доступ к сопутствующим товарам этих производителей, посетив нашКатегория продуктов ПЛИСстранице и фильтрации через фильтры.
В заключение:
В нашем путешествии по миру FPGA мы отодвигаем слои, чтобы раскрыть царство цифровой пригодности. FPGA — свидетельство слияния инженерных разработок и воображения — подобны холсту, на котором яркими мазками можно рисовать инновации. От скромных начинаний до сегодняшней известности, FPGA продемонстрировали безграничные возможности этой технологии. Поскольку отрасли и частные лица продолжают использовать свою мощь, мы вступили в эпоху, когда электроника больше не ограничена, а может свободно трансформироваться и развиваться в соответствии с потребностями мира, которому она служит.
Нужна помощь?
