A fronteira entre hardware e software é extremamente sutil. Ao desenvolver hardware para dispositivos como computadores, é crucial garantir que ele seja capaz de executar código de maneira eficaz.
Os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) representam uma arquitetura de hardware inovadora, permitindo que usuários personalizem circuitos de forma remota e imediata.
Adquirir conhecimento sobre a programação de FPGAs é um diferencial valioso para quem busca uma carreira em ciência da computação ou tecnologia.
Este artigo detalha a natureza da programação em FPGA, seu funcionamento e aplicações, além de fornecer uma seleção de recursos de aprendizado para aprofundar a compreensão.
Programação FPGA: Uma Visão Detalhada
Um FPGA é um circuito integrado (CI) que possui blocos lógicos configuráveis e outras funcionalidades, possibilitando que o usuário o programe e reprograme conforme necessário.
O termo “programável em campo” enfatiza que as capacidades de um FPGA não são fixas, mas ajustáveis. Isso permite aos usuários adaptar as funções do circuito a qualquer momento para atender às especificações de design.
A programação de FPGA envolve a criação de soluções computacionais utilizando esses dispositivos.
O programador precisa planejar, projetar e implementar a arquitetura das portas para construir um circuito funcional que satisfaça as necessidades do usuário. O objetivo principal é produzir um circuito de hardware que gere um resultado específico quando ativado.
As placas de circuito em FPGAs são desenvolvidas para replicar o comportamento de circuitos reais. Elas são frequentemente utilizadas por equipes de garantia de qualidade para testar novos produtos. Um sistema FPGA é composto por vários componentes de hardware.
As portas lógicas formam a base de um FPGA, realizando operações booleanas sobre os dados de entrada e saída. Também existem recursos de roteamento que direcionam os sinais entre diferentes pontos do circuito.
Aplicações Práticas da Programação FPGA
A programação FPGA tem atraído considerável interesse por parte de desenvolvedores no cenário tecnológico atual.
A seguir, exploraremos algumas das aplicações mais relevantes:
#1. Desenvolvimento de ASICs
Os desenvolvedores podem criar circuitos integrados específicos para aplicações (ASICs). Esses ASICs ganharam notoriedade na mineração de Bitcoin.
O design de FPGA possibilita correções de erros com facilidade. A vantagem de um FPGA é que ele serve como modelo para projetos futuros, economizando tempo e recursos no longo prazo.
#2. O Setor de Energia Renovável
A energia eólica e solar renovável está se tornando cada vez mais relevante em um mundo que enfrenta o desafio do aquecimento global. Subestações de transmissão e distribuição (T&D) necessitam de redes de energia eficientes para o desempenho ideal de redes inteligentes.
Os FPGAs desempenham um papel crucial na melhoria da escalabilidade e desempenho de redes inteligentes, ao mesmo tempo em que mantêm o consumo de energia em níveis baixos.
#3. Aplicações Aeroespaciais e de Defesa
Aeronaves frequentemente operam em ambientes hostis. Empresas de manufatura produzem FPGAs tolerantes e resistentes à radiação, oferecendo maior confiabilidade e desempenho, além de atender às demandas de vida útil em condições extremas, superando as tradicionais implementações ASIC.
#4. Aplicações em Servidores
Data centers/servidores são cada vez mais importantes, devido à crescente demanda por processamento rápido de dados. É necessário processar os dados em tempo real, mesmo sob restrições de espaço e tempo.
Por meio do BRAM, o FPGA pode se conectar a elementos externos de armazenamento de dados, acelerando o processamento dentro dos chips.
Vantagens da Programação FPGA
- Flexibilidade de Reconfiguração: FPGAs são altamente adaptáveis. Sua capacidade de configuração e reconfiguração para diversas aplicações é um grande benefício.
- Automação de Processos: FPGAs demandam menos intervenção manual. O software é responsável por roteamento, temporização e posicionamento, tarefas que seriam complexas e demoradas se feitas manualmente.
- Personalização Total: Diferente dos ASICs, que possuem funcionalidades fixas, FPGAs são telas em branco que podem ser reprogramadas para diferentes usos, permitindo aos engenheiros moldar o sistema para diversas aplicações usando HDLs (Hardware Design Language).
- Prototipagem Eficiente: A produção de ASICs é dispendiosa, e um único erro pode gerar custos significativos. FPGAs reprogramáveis permitem testes iterativos até que o design esteja perfeito, economizando tempo e recursos.
Processo de Programação de um FPGA
Projetos para FPGAs são tipicamente codificados em linguagens de descrição de hardware (HDL), como SystemVerilog, Verilog e VHDL.
#1. Verilog
Verilog é ideal para programar FPGAs com poucas linhas de código. Semelhante à linguagem C, foi projetada para arquitetura de hardware. Verilog visa tornar o HDL mais flexível e robusto.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog é uma extensão do Verilog, utilizada para verificação e descrição de hardware. Permite descrever padrões de hardware, convertê-los em código digital e carregá-los em um sistema FPGA para tarefas específicas.
#3. VHDL
VHDL, ou Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language, possibilita descrever o hardware de um FPGA, permitindo aos usuários modelá-lo e simulá-lo antes da codificação em hardware real.
A programação com VHDL facilita a identificação de erros no circuito, permitindo correções antes da codificação final. VHDL permite uma abordagem de programação estruturada.
A High-Level Synthesis (HLS), onde o projeto é feito em um subconjunto de C, e o compilador transforma o código em Verilog, é uma abordagem popular para desenvolvedores de FPGAs.
Com plataformas de software unificadas, os desenvolvedores podem utilizar linguagens familiares para projetar FPGAs.
#4. Python
Essa linguagem de programação versátil pode ser usada para programar FPGAs através do PYNQ, um projeto de código aberto que facilita o trabalho com plataformas AMD.
#5. C e C++
Linguagens baseadas em C são ideais para projetos de FPGA devido à síntese de alto nível (HLS). O compilador AMD Vivado™ HLS oferece um ambiente de programação que compartilha tecnologias com processadores especializados e padrão, otimizando programas baseados em C.
#6. Plataformas de IA como TensorFlow e PyTorch
Engenheiros utilizam modelos de aprendizado profundo do Pytorch ou Tensorflow para compilar para aceleração de FPGA, eliminando a necessidade de programação de hardware de baixo nível e ainda obtendo compilação rápida.
Códigos em linguagens de programação convencionais são convertidos em descrições de interconexão proprietárias por meio de ferramentas de síntese.
O arquivo resultante, que contém a descrição da interconexão, é chamado de bitstream. Este descreve como configurar um FPGA, conectando flip-flops, portas e outros elementos digitais através da matriz de interconexão do FPGA.
FPGAs têm uma configuração embutida que lê o bitstream e os configura. Este circuito pode ler o arquivo de bitstream por diferentes métodos, incluindo Memória Flash Paralela, JTAG e Memória Flash Serial.
Os fabricantes de placas FPGA fornecem software/instruções para os desenvolvedores configurarem/programarem os sistemas.
A maioria dos sistemas FPGA pode ser reprogramada diversas vezes, a menos que sejam danificados por fatores externos como desgaste, temperatura ou alta tensão.
Para mais informações sobre programação FPGA, consulte os seguintes Recursos de Aprendizagem.
Recursos de Aprendizagem
#1. Programação FPGA para Iniciantes
Este livro introduz a programação FPGA usando SystemVerilog, com uma abordagem baseada em projetos, como o desenvolvimento de um teclado e uma calculadora.
O livro aborda a arquitetura FPGA e como escrever SystemVerilog RTL, além de conceitos básicos de matemática computacional, pipelining e paralelismo. Tópicos avançados como AXI e interface de teclado com PS/2 também são discutidos.
Este livro é ideal para programadores, engenheiros e desenvolvedores de sistemas embarcados que buscam aprender programação em FPGA e SystemVerilog, além de designers de FPGA que desejam experiência prática em projetos reais.
#2. FPGAs para programadores de software
Este livro apresenta aos engenheiros de software o mundo dos FPGAs e da tecnologia reconfigurável, incluindo o modelo de programação de um FPGA. É útil para aprender como FPGAs implementam aplicações sem processos de projeto de hardware de baixo nível.
O livro oferece uma visão realista sobre problemas adequados para FPGAs e como implementar soluções do ponto de vista de um engenheiro de software, tornando fácil entender onde a tecnologia FPGA pode ser aplicada e como. É indicado para designers de software e engenheiros de projeto de FPGA.
#3. Iniciando FPGA: Programação Metal
Este livro ensina a usar o BeMicro MAX 10 para construir um sensor de temperatura, sensor de movimento, e outros projetos. É adequado para iniciantes, mesmo sem habilidades de programação ou um diploma de engenharia eletrônica.
O livro aborda a diferença entre FPGAs, microcontroladores e ASICs, além de como configurar uma cadeia de ferramentas e usar VHDL para programar o FPGA. É um ótimo recurso para entusiastas de eletrônica e Raspberry Pi que desejam uma introdução prática ao mundo dos FPGAs.
#4. Programando FPGAs: Introdução ao Verilog
Perfeito para quem está começando com Verilog e FPGAs, este livro oferece uma introdução simples ao tema, incluindo amostras como contadores e displays de 7 segmentos.
O livro apresenta o Verilog e oferece exemplos intermediários, como VGA. Não é o mais indicado para quem já tem experiência em Verilog e FPGAs. Está disponível nas versões Kindle e Paperback.
Conclusão
FPGAs podem superar GPUs em aplicações de aprendizado profundo de baixa latência. A programação de FPGA é uma habilidade essencial, com aplicações em eletrônicos de consumo, automação industrial e aplicações militares, entre outros. A tecnologia FPGA continua a evoluir, prometendo ainda mais aplicações e melhorias de desempenho.