Was ist FPGA-Programmierung? • BUOM

2. Dezember 2021

Bei der Hardware-Architektur handelt es sich um eine Disziplin, die das Entwerfen und Bauen einzigartiger physischer Schaltkreise umfasst, die bestimmte Aufgaben ausführen, beispielsweise das Verschlüsseln von Code oder das Verarbeiten von Paketen. FPGA oder Field Programmable Gate Array ist eine Form der Hardware-Architektur, die Benutzern die Möglichkeit gibt, Schaltkreise jederzeit und überall anzupassen. Wenn Sie an einer Karriere im Technologie- oder Informatikbereich interessiert sind, kann das Verständnis der FPGA-Programmierung und ihrer Anwendungen hilfreiche Informationen liefern, um festzustellen, ob die Hardwarearchitektur für Sie geeignet ist.

In diesem Artikel erklären wir, was ein FPGA ist, diskutieren, wofür er verwendet wird, beschreiben, was FPGA-Programmierung ist, und listen die Sprachen auf, die Sie zum Programmieren eines FPGA verwenden können.

Was ist FPGA?

Ein FPGA ist ein integrierter Schaltkreis, der von Menschen modifiziert werden kann, um auch nach dem Herstellungsprozess bestimmte Rechenaufgaben auszuführen. Ein Gate-Array ist ein Siliziumchip mit Transistoren, denen keine vorab zugewiesene Funktion zugewiesen ist. Dadurch ist ein FPGA eine hochgradig konfigurierbare Schaltung, die Benutzer an die Anforderungen ihrer individuellen Designs anpassen können. FPGAs sind vor Ort programmierbar, da Benutzer die Möglichkeit haben, Schaltkreisfunktionen jederzeit und überall zu ändern, um sie an ihre spezifischen Designabsichten anzupassen.

FPGAs sind viele Logikelemente, die Benutzer neu konfigurieren können, um benutzerdefinierte digitale Schaltkreise zu erstellen. Einige in FPGAs enthaltene Gatter umfassen Speichercontroller und Kommunikationsschnittstellen, die Benutzer verbinden können, um einzigartige Schaltkreise zu erstellen, die ihren spezifischen Technologieanforderungen entsprechen. Dieser Prozess des Entwurfs und der Verwaltung der Schaltungsstruktur wird als Hardwarearchitektur bezeichnet.

Wofür wird FPGA verwendet?

Ein FPGA ist ein flexibler Satz logischer Gatter, was ihn oft für Entwickler attraktiv macht, die in verschiedenen Bereichen der Technologiebranche arbeiten. Ihr Hauptziel ist die Entwicklung anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise, auch ASICs genannt. Benutzer entwerfen zunächst die gewünschte Schaltung basierend auf den Umständen und Anforderungen ihrer Aufgabe. Sobald Benutzer ihr einzigartiges Design entworfen und getestet haben, können sie den ASIC mit dem Design produzieren und so wertvolle Zeit und Geld sparen, die sonst in die Planung und Ausführung des integrierten Schaltkreises fließen würden. Ein einzelner FPGA kann als Modell für verschiedene andere Designs dienen.

FPGAs spielen auch eine wertvolle Rolle in Projekten, bei denen eine individuelle Schaltungsanpassung erforderlich ist. Wenn sich die Hardwarekonfiguration einer Aufgabe aufgrund äußerer Umstände ändern soll, kann der Benutzer das Design einfach und effizient aktualisieren, um es besser an die Anforderungen des Projekts anzupassen. Die Flexibilität und einfache Modifizierung von FPGAs machen sie für Hardware- und Informatiker attraktiv.

Einige andere gängige FPGA-Anwendungen sind:

• Künstliche Intelligenz

• Militär- und Weltraumprojekte

• Medizinische Instrumente

• Wissenschaftliche Instrumente

• Industrielle Werkzeuge

• Stapelverarbeitung

• Kryptographie, die sich auf den Prozess der Codelösung bezieht

Was ist FPGA-Programmierung?

Bei der FPGA-Programmierung handelt es sich um den Prozess der Erstellung von Computerlösungen mithilfe von FPGAs. Entwurfsverfahren umfassen die Planung, den Entwurf und die Ausführung der Gate-Architektur, damit die resultierende Schaltung funktionsfähig ist und den Anforderungen der Designer entspricht. Das ultimative Ziel der FPGA-Programmierung besteht darin, eine Hardwareschaltung zu erstellen, die beim Einschalten die spezifischen, vom Benutzer gewünschten Ausgabedaten generiert. Fast alle FPGAs verwenden bei der Programmierung Hardwarebeschreibungssprachen oder HDLs.

Sich die Zeit zu nehmen, ein FPGA zu programmieren, kann sehr hilfreich sein, um Prozesse, Schaltungsmuster und potenzielle Fehler zu identifizieren, die beim Betrieb der Hardware auftreten können. Aus diesem Grund ist es wichtig, Ihre Entwürfe sorgfältig zu planen und potenziell zeitaufwändige Aktivitäten wie das Debuggen und Neukonfigurieren Ihrer Hardwarearchitektur einzuschränken, wenn sich herausstellt, dass der erste Plan nicht funktioniert.

Arten von FPGA-Programmiersprachen

Benutzer können FPGAs mithilfe von HDL konfigurieren. HDLs übersetzen die Codes mithilfe von Wörtern und Symbolen in ihre Sprache, die die Designsoftware dann in Daten umwandeln kann, die in das FPGA geladen werden. Dadurch verfügt es über die richtige Funktionalität, um die Aufgaben auszuführen, für die das FPGA ursprünglich modifiziert wurde. Hier sind einige gängige Arten von FPGA-Programmiersprachen:

VHDL

Die Very High Speed ​​​​Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) ist eine Sprache, die zur Konfiguration der elektronischen Automatisierung mithilfe spezifischer Konstrukte verwendet wird, die den Ausgang einer Schaltung definieren. VHDL beschreibt FPGA-Hardware und ermöglicht es Benutzern, diese zu modellieren und zu simulieren, bevor sie in echte Hardware codiert wird. Dies kann ein gutes Werkzeug sein, um potenzielle Fehler in einem Design zu identifizieren, die Benutzer vor der endgültigen Codierung korrigieren können. VHDL verfügt über ein vollständiges Typsystem, was bedeutet, dass Benutzer ihren eigenen strukturierten Code schreiben können.

Verilog

Verilog ist eine weitere gängige HDL-Sprache, die in der elektronischen Modellierung zur Beschreibung elektronischer Systeme verwendet wird. Verilog erfordert weniger Codezeilen und wird in der Technologiebranche häufig mit der Programmiersprache C verglichen, obwohl einige Verilog für die bessere Wahl für die Hardwarearchitektur halten. Dies liegt daran, dass viele Informatiker und Programmierer Verilog für das am einfachsten zu erlernende HDL am Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) halten.

Verilog-System

SystemVerilog begann als Erweiterung von Verilog und ist auch eine Hardwarebeschreibungs- und Verifizierungssprache. Wie andere HDLs wird es zur Beschreibung von Hardwaremustern verwendet, die dann in digitalen Code umgewandelt werden, der in ein FPGA geladen wird, um bestimmte Aufgaben auszuführen. SystemVerilog erstellt statische Daten, die sich während der Lebensdauer des Programms nicht ändern, und automatische Daten, die während der Entwicklung und Ausführung des Programms generiert werden. Der Hauptunterschied zwischen Verilog und SystemVerilog besteht darin, dass ersteres ausschließlich elektronische Systeme modelliert, während letzteres diese Systeme modelliert, entwirft und testet.