FPGA编程是如何工作的？

硬件和软件之间存在着一条非常细微的界线。在为计算机等设备创建硬件时，必须确保其能够运行和执行代码。

可编程门阵列（FPGA）是一种硬件架构形式，允许用户在任何时间、任何地点自定义电路。

如果您想追求计算机科学或技术的职业生涯，了解FPGA编程的工作原理将非常有价值。

在本文中，我们将描述FPGA编程是什么，它是如何工作的以及它的应用领域，并分享各种资源以更多地解释它。

FPGA编程

FPGA是一种具有可配置逻辑块和其他各种功能的集成电路（IC），可以由用户对其进行编程和重新编程。

“可编程”一词表示FPGA的功能不是硬连线的，而是可调整的。因此，用户可以随时修改电路的功能以满足其特定的设计意图。

FPGA编程可以描述为使用FPGA创建计算解决方案的过程。

程序员必须计划、设计和执行门电路的架构，以创建满足用户需求的功能电路。 FPGA编程的最终目标是在通电时生成特定输出的硬件电路。

FPGA上的电路板被设计成模仿现实电路的行为。因此，这些电路板最常被团队用于测试新产品。FPGA系统将具有各种硬件元素。

逻辑门在基本层面上充当FPGA的构建块。逻辑门对输入和输出数据执行布尔运算。还有用于将信号从一点路由到另一点的路由资源。

FPGA编程的用途

FPGA编程在现代开发者中变得非常有吸引力。

以下是一些应用案例：

#1. 设计ASIC

开发者现在可以设计特定应用集成电路（ASIC）。ASIC在计算世界中变得非常流行。

FPGA的设计使得纠正错误变得容易。FPGA的美妙之处在于您可以将其用作其他项目的模型，从而在长远来看节省时间和资源。

#2. 可再生能源领域

在面对全球变暖挑战的世界中，来自风能和太阳能的可再生能源变得越来越受欢迎。传输和配电（T&D）变电站需要高效的电力网络才能使智能电网发挥最佳性能。

FPGA在提高智能电网的可伸缩性和性能方面非常有用，同时仍保持低功耗。

#3. 航天和国防

飞机有时会在恶劣的环境中飞行。因此，制造公司生产出更可靠、性能更好、寿命周期要求超过传统ASIC的抗辐射和耐辐射FPGA。

#4. 服务器应用

数据中心/服务器已成为一种趋势，因为每天对速度的需求不断增加。数据需要在有限的空间和时间约束下实时处理。

通过BRAM，FPGA可以为外部元素提供连接性，加速芯片上的数据处理。

FPGA编程的好处

• FPGAs可重构。必须考虑FGPAs的可用性。您可以配置一个并重新配置它以在另一个应用中使用。
• FGPA需要较少的手动干预。软件处理FGPA环境中的路由、时序和布局任务。如果手动处理，这些任务可能耗时且复杂。
• FPGAs就像空白画布。与具有预定义功能的传统ASIC不同，FPGAs可以重新编程以适应不同的用例。因此，工程师可以使用HDL（硬件设计语言）将这样的系统编程为不同的用例。
• 原型制作。裸片（ASIC）的制造成本很高，一个简单的错误可能代价高昂。在将ASIC发布到市场之前，确保系统功能正常并达到设计目标非常重要。FPGAs可重新编程，这意味着您可以进行测试运行，直到设计正确为止。

如何编程FPGA

用于运行FPGAs的设计主要使用硬件描述语言（HDL），如SystemVerilog、Verilog和VHDL进行编码。

#1. Verilog

Verilog在几行代码内即可编程FPGAs，非常理想。尽管Verilog是为硬件架构设计的，但它与C相似。Verilog的创建旨在使HDL更灵活和强大。

#2. SystemVerilog

SystemVerilog是Verilog的扩展。它既是硬件验证语言，也是硬件描述语言。使用此语言，可以描述硬件模式，将其转换为数字代码，然后将其上传到FPGA系统中执行指定的任务。

#3. VHDL

VHDL是“Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language”的缩写。借助VHDL，可以描述FPGA的硬件，使用户能够在对实际硬件进行编码之前对其进行建模和模拟。

使用VHDL编程可以轻松确定电路中的潜在错误，用户可以在最终编码之前进行修复。VHDL允许用户编写结构化代码。

在希望编程FPGA的开发人员中，使用一种基于C的子集进行设计，并通过编译器将代码转换为Verilog代码的高级综合（HLS）非常流行。

因此，开发人员可以使用他们熟悉的语言通过统一的软件平台设计FPGAs。

#4. Python

这种多功能编程语言可以用于编程FPGA。为了实现这一目标，Python使用了一个名为PYNQ的开源项目，使得在AMD平台上工作变得更加容易。

#5. C和C++

基于C的语言非常适合FPGA设计，因为高级综合（HLS）。AMD Vivado™ HLS编译器提供了一个与专用和标准处理器共享关键技术的编程环境，优化了基于C的程序。

#6. 像TensorFlow和PyTorch这样的AI平台

工程师们使用来自Pytorch或Tensorflow的训练好的模型进行FPGA加速编译。这种方法消除了对低级硬件编程的需求，同时实现了快速编译。

使用常规编程语言（如Python、C或C++）编写的代码通过综合工具合成并转换为专有的互连描述。

包含互连描述的结果文件称为比特流（bitstream）。比特流描述了如何配置FPGA（如何通过FPGA的互连矩阵连接触发器、门和各种数字电路元件）。

FPGA具有内建配置，可以通过各种途径读取比特流文件，例如并行闪存、JTAG和串行闪存。

FPGA板制造商提供用于配置/编程系统的软件/说明。

大多数FPGA系统可以重编程多次。唯一的限制是当这些系统受到超出规格条件（如磨损、温度或高电压）的损坏时。

您可以通过这些学习资源了解有关FPGA编程的更多信息

学习资源

#1. FPGA编程入门

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本书介绍了FPGA架构，然后探讨了如何编写SystemVerilog RTL。本书还介绍了计算机数学基础、流水线和并行性。本书还涉及高级主题，如AXI和与PS/2的键盘接口。

本书适合程序员、工程师和嵌入式系统开发人员，他们希望学习FPGA和SystemVerilog编程。该资源也适用于渴望通过实践经验创建实际项目的FPGA设计师。

#2. 面向软件程序员的FPGA

本书向软件工程师介绍了FPGA和可重构技术的世界。本书首先介绍了FPGA及其编程模型。如果您想了解FPGA如何实现各种应用程序而无需进行低级硬件设计过程，则可以使用本书。

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本书从软件工程师的角度提供了适用于FPGAs的问题和解决方案的实际感知。本书的用户导向方法使得易于理解FPGA技术的适用范围和使用方式。本书的目标读者是软件设计师和FPGA设计工程师。

#3. 开始学习FPGA: 编程金属

本书教导读者如何使用BeMicro MAX 10构建温度传感器、运动传感器、温度传感器和Knight Rider的KITT汽车显示屏。本书适合初学者，无编程技能或电子工程学位的人士也可以使用。

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本书介绍了FPGAs并解释了它们与微控制器或ASIC的区别。本书还是介绍如何设置工具链和使用VHDL编程FPGA的资源。本书适合电子和 Raspberry Pi 爱好者，他们希望亲身体验FPGA世界的入门指南。

#4. FPGA编程：开始使用Verilog

如果您从未接触过Verilog和FPGAs，本书非常适合您。如果FPGA编程对您来说是一个新词，这是一个很好的入门地点。典型的示例，如计数器和7段显示器，将帮助学习者开始入门。

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本书介绍了Verilog，并提供了各种中级示例，如VGA。如果您已经具备Verilog和FPGA知识，则可能不适合使用该资源。本书有Kindle版本和平装版本。

结论

FPGA在低延迟的深度学习应用中有时可以比GPU表现更好。FPGA编程是一项重要的技能，因为FPGA可以用于消费电子产品、工业应用automation和军事应用等众多领域。FPGA仍在不断发展，我们只能等待看到它们在更多用例和更好性能方面的精细调整。