كيف تعمل برمجة FPGA؟

يوجد خط رفيع جدًا بين الأجهزة والبرامج. عند إنشاء أجهزة للأدوات مثل أجهزة الكمبيوتر ، يجب عليك التأكد من أنها تعمل وتنفذ التعليمات البرمجية.

مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGA) عبارة عن نموذج لهندسة الأجهزة يسمح للمستخدمين بتخصيص الدوائر من أي مكان وفي أي وقت.

سيكون التعرف على كيفية عمل برمجة FPGA مفيدًا إذا كنت ترغب في ممارسة مهنة في علوم الكمبيوتر أو التكنولوجيا.

في هذه المقالة ، سنصف ماهية برمجة FPGA ، وكيف تعمل ، وأين يتم تطبيقها ، ونشارك الموارد المختلفة لإلقاء مزيد من الضوء عليها.

برمجة FPGA

FPGA عبارة عن دائرة متكاملة (IC) مع كتل منطقية قابلة للتكوين ومجموعة متنوعة من الميزات الأخرى التي يمكن للمستخدم برمجتها وإعادة برمجتها.

تشير عبارة “المجال القابل للبرمجة” إلى أن قدرات FPGA ليست مثبتة ولكنها قابلة للتعديل. وبالتالي يمكن للمستخدمين تعديل وظائف الدائرة في أي وقت لتلبية نواياهم التصميمية المحددة.

يمكن وصف برمجة FPGA بأنها عملية إنشاء حلول الحوسبة باستخدام FPGA.

يتعين على المبرمج تخطيط وتصميم وتنفيذ بنية البوابات لإنشاء دائرة وظيفية تلبي احتياجات المستخدمين. الهدف النهائي لبرمجة FPGA هو إنشاء دائرة جهاز تولد مخرجات محددة عند تشغيلها.

تم تصميم لوحات الدوائر على FPGA لتقليد سلوك دوائر العالم الحقيقي. وبالتالي يتم استخدام لوحات الدوائر الكهربائية هذه بشكل أكبر من قبل فريق ضمان الجودة لاختبار المنتجات الجديدة. سيحتوي نظام FPGA على عناصر أجهزة مختلفة.

تعمل البوابات المنطقية على أنها اللبنات الأساسية لـ FPGA على المستوى الأساسي. تؤدي البوابات المنطقية عمليات منطقية على بيانات الإدخال والإخراج. هناك أيضًا موارد توجيه تقوم بتوجيه الإشارات من نقطة إلى أخرى.

حالات استخدام برمجة FPGA

أصبحت برمجة FPGA جذابة جدًا للمطورين في العالم الحديث.

فيما يلي بعض حالات الاستخدام ؛

# 1. تصميم ASICs

يمكن للمطورين الآن تصميم دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASICs). أصبحت ASICs تحظى بشعبية كبيرة في عالم تعدين البيتكوين.

يجعل تصميم FPGA من السهل تصحيح الأخطاء. يكمن جمال FPGA في أنه يمكنك استخدام نموذج لمشاريع أخرى وبالتالي توفير الوقت والموارد على المدى الطويل.

# 2. قطاع الطاقة المتجددة

أصبحت الطاقة المتجددة من الرياح والطاقة الشمسية أكثر شعبية في عالم يواجه تحدي الاحتباس الحراري. تتطلب المحطات الفرعية للنقل والتوزيع (T&D) شبكات طاقة فعالة للشبكات الذكية لتعمل على النحو الأمثل.

تعد شبكات FPGA مفيدة جدًا في تحسين قابلية التوسع وأداء الشبكات الذكية مع الحفاظ على استهلاك منخفض للطاقة.

# 3. الفضاء الجوي والدفاع

تطير الطائرات أحيانًا عبر بيئات قاسية. ومن ثم ، فإن شركات التصنيع تنتج FPGAs شديدة الصلابة ومتحملة للراديو توفر مزيدًا من الموثوقية والأداء ومتطلبات دورة الحياة للبيئات القاسية مقارنة بتطبيقات ASIC التقليدية.

# 4. تطبيقات الخادم

أصبحت مراكز / خوادم البيانات شيئًا حيث يزداد الطلب على سرعة معالجة البيانات مع مرور كل يوم. تحتاج البيانات إلى المعالجة في الوقت الفعلي ، حتى في ظل قيود المكان والزمان المحدودة.

يمكن أن توفر FPGA ، من خلال BRAM ، إمكانية الاتصال بعناصر تخزين البيانات الخارجية ، مما يؤدي إلى تسريع معالجة البيانات على الرقائق.

فوائد برمجة FPGA

• FPGAs قابلة لإعادة التكوين. يجب مراعاة قابلية استخدام FGPAs. يمكنك تكوين واحد وإعادة تكوينه لاستخدامه في تطبيق آخر.
• يتطلب FGPA تدخلًا يدويًا أقل. يعالج البرنامج مهام التوجيه والتوقيت والموضع في بيئة FGPA. يمكن أن تكون هذه المهام مستهلكة للوقت ومعقدة إذا تم التعامل معها يدويًا.
• تأتي FPGAs على شكل لوحات فارغة. على عكس ASICs التقليدية ذات الوظائف المحددة مسبقًا ، يمكن إعادة برمجة FPGA لحالات الاستخدام المختلفة. وبالتالي يمكن للمهندس برمجة مثل هذا النظام لحالات استخدام مختلفة باستخدام HDLs (لغة تصميم الأجهزة).
• النماذج. تصنيع ASICs باهظ الثمن ، والخطأ البسيط يمكن أن يكون مكلفًا للغاية. قبل طرح ASIC في السوق ، من المهم التأكد من أن نظامك يعمل ويلبي الأهداف التي صُمم من أجلها. FPGAs قابلة لإعادة البرمجة ، مما يعني أنه يمكنك اختبار عمليات التشغيل حتى تحصل على التصميم الصحيح.

كيفية برمجة ملف FPGA

يتم ترميز التصميمات المستخدمة لتشغيل FPGA بشكل أساسي في لغات وصف الأجهزة (HDL) مثل SystemVerilog و Verilog و VHDL.

# 1. فيريلوج

يعد Verilog مثاليًا إذا كنت ترغب في برمجة FPGAs في غضون بضعة أسطر من التعليمات البرمجية. هذه اللغة قابلة للمقارنة بـ C على الرغم من أنها مصممة لهندسة الأجهزة. تم إنشاء Verilog لجعل HDL أكثر مرونة وقوة.

# 2. النظام

تم إنشاء SystemVerilog كامتداد لـ Verilog. إنها لغة التحقق من الأجهزة ولغة وصف الأجهزة. باستخدام هذه اللغة ، يمكنك وصف أنماط الأجهزة ، وتحويلها إلى رمز رقمي ، ثم تحميلها في نظام FPGA لأداء مهام محددة.

# 3. VHDL

VHDL هو النموذج المختصر للغة وصف أجهزة الدوائر المتكاملة عالية السرعة جدًا. باستخدام VHDL ، يمكنك وصف أجهزة FPGA ، مما يسمح للمستخدمين بتصميمها ومحاكاتها قبل ترميزها في الجهاز الفعلي.

تجعل البرمجة باستخدام VHDL من السهل تحديد الأخطاء المحتملة في الدائرة والتي يمكن للمستخدمين إصلاحها قبل الترميز النهائي. يسمح VHDL للمستخدمين بكتابة التعليمات البرمجية المنظمة الخاصة بهم.

التخليق عالي المستوى (HLS) ، حيث يتم التصميم في مجموعة فرعية من C ، ويقوم المترجم بتحويل الكود إلى كود Verilog ، وهو أمر شائع لدى المطورين الذين يرغبون في برمجة FPGAs.

وبالتالي يمكن للمطورين استخدام اللغات التي يجيدونها لتصميم FPGA من خلال منصات برمجية موحدة.

# 4. بايثون

يمكن استخدام لغة البرمجة متعددة الأغراض لبرمجة FPGAs. لتحقيق ذلك ، تستخدم Python PYNQ ، وهو مشروع مفتوح المصدر يسهل العمل مع منصات AMD.

# 5. C و C ++

تعد اللغات القائمة على C مثالية لتصميم FPGA نظرًا للتوليف عالي المستوى (HLS). يوفر مترجم AMD Vivado ™ HLS بيئة برمجة تشارك التقنيات الرئيسية مع المعالجات المتخصصة والقياسية ، والتي تعمل على تحسين البرامج المستندة إلى C.

# 6. منصات الذكاء الاصطناعي مثل TensorFlow و PyTorch

يستخدم المهندسون نماذج التعلم العميق المدربة من Pytorch أو Tensorflow للترجمة من أجل تسريع FPGA. هذا النهج يلغي الحاجة إلى برمجة الأجهزة منخفضة المستوى مع الاستمرار في تحقيق تجميع سريع للغاية.

يتم تصنيع التعليمات البرمجية المكتوبة بلغات البرمجة العادية ، مثل Python أو C أو C ++ ، وتحويلها إلى أوصاف ربط خاصة من خلال أدوات التوليف.

يُعرف الملف الناتج الذي يحتوي على وصف التوصيل البيني باسم تدفق البتات. يصف دفق البت كيفية تكوين FPGA (كيفية توصيل flip-flops والبوابات وعناصر الدوائر الرقمية المختلفة عبر مصفوفة التوصيل البيني لـ FPGA).

تحتوي FPGAs على تكوين يحمل في ثناياه عوامل يقرأ ملف bitstream وتكوين FPGA وفقًا لذلك. يمكن لدائرة التكوين قراءة ملف bitstream من خلال طرق مختلفة ، مثل Parallel Flash Memory و JTAG و Serial Flash Memory.

توفر الشركات المصنعة للوحة FPGA البرامج / التعليمات التي يستخدمها مطورو البرامج لتكوين / برمجة الأنظمة.

يمكن إعادة برمجة معظم أنظمة FPGA عدة مرات قدر الإمكان. القيد الوحيد هو عندما تتضرر هذه الأنظمة بسبب ظروف خارج المواصفات مثل البلى والتلف أو درجة الحرارة أو الجهد العالي.

يمكنك معرفة المزيد حول برمجة FPGA من خلال مصادر التعلم هذه

مصادر التعلم

# 1. برمجة FPGA للمبتدئين

يقدم لك هذا الكتاب عالم برمجة FPGA باستخدام SystemVerilog. يعتمد أسلوب التدريس على المشروعات ، حيث تقوم بتطوير تطبيقات واقعية مثل لوحة المفاتيح والآلة الحاسبة.

يقدم الكتاب بنية FPGA قبل استكشاف كيفية كتابة SystemVerilog RTL. يقدم لك هذا الكتاب أيضًا أساسيات الرياضيات الحاسوبية ، وتخطيط الأنابيب ، والتوازي. يتطرق الكتاب أيضًا إلى موضوعات متقدمة مثل AXI وتفاعل لوحة المفاتيح مع PS / 2.

هذا الكتاب مثالي للمبرمجين والمهندسين ومطوري الأنظمة المضمنة الذين يرغبون في تعلم برمجة FPGA و SystemVerilog. هذا المورد مناسب أيضًا لمصممي FPGA الذين يتوقون إلى الخبرة العملية في إنشاء مشاريع في العالم الحقيقي.

# 2. FPGAs لمبرمجي البرمجيات

يقدم هذا الكتاب لمهندسي البرمجيات إلى عالم FPGAs والتكنولوجيا القابلة لإعادة التشكيل. يبدأ الكتاب بتقديم FPGA ونموذج برمجتها. هذا أيضًا هو الكتاب الذي يجب استخدامه إذا كنت تريد معرفة كيفية تنفيذ FPGAs للتطبيقات المختلفة دون عمليات تصميم الأجهزة منخفضة المستوى.

يعطي الكتاب إحساسًا واقعيًا بالمشكلات التي تناسب FPGAs وكيفية تنفيذ الحلول من وجهة نظر مهندس البرمجيات. النهج الموجه للمستخدم في هذا الكتاب يجعل من السهل فهم أين يمكن تطبيق تقنية FPGA وكيف. القراء المستهدفون من هذا الكتاب هم مصممو برمجيات ومهندسو تصميم FPGA.

# 3. بداية FPGA: برمجة المعادن

يعلم هذا الكتاب القراء كيفية استخدام BeMicro MAX 10 لبناء مستشعر درجة الحرارة ومستشعر الحركة ومستشعر درجة الحرارة وشاشة KITT للسيارة من Knight Rider. الكتاب مناسب للمبتدئين ومناسب لمن ليس لديهم مهارات في البرمجة أو شهادة في هندسة الإلكترونيات.

يقدم الكتاب FPGAs ويشرح اختلافاتهم عن المتحكمات الدقيقة أو ASICs. إنه أيضًا مورد لتعريفك بكيفية إعداد سلسلة أدوات واستخدام VHDL لبرمجة FPGA. الكتاب مثالي لعشاق الإلكترونيات و Raspberry Pi الذين يريدون مقدمة عملية عن عالم FPGAs.

# 4. برمجة FPGAs: الشروع في العمل مع Verilog

هذا الكتاب مثالي إذا لم تتفاعل أبدًا مع Verilog و FPGAs. إذا كانت برمجة FPGA مصطلحًا جديدًا بالنسبة لك ، فهذا مكان جيد للبدء. ستجعل العينات النموذجية ، مثل العدادات وشاشات العرض المكونة من 7 أجزاء ، المتعلمين في القدم اليمنى.

يقدم الكتاب للمتعلمين إلى Verilog ويقدم أمثلة وسيطة مختلفة مثل VGA. قد لا يكون هذا المورد مثاليًا إذا كان لديك بالفعل معرفة بـ Verilog و FPGAs. هذا الكتاب متاح في إصدارات Kindle و Paperback.

استنتاج

يمكن لـ FPGA ، في بعض الأحيان ، أداء أفضل من وحدات معالجة الرسومات في تطبيقات التعلم العميق مع زمن انتقال منخفض. تعد برمجة FPGA مهارة أساسية حيث يمكن استخدام FPGA في الإلكترونيات الاستهلاكية والأتمتة الصناعية والتطبيقات العسكرية ، من بين العديد من التطبيقات الأخرى. لا تزال FPGAs تتطور ، ولا يسعنا إلا الانتظار حتى نراها مضبوطة بدقة لمزيد من حالات الاستخدام والأداء الأفضل.