Existe uma linha muito tênue entre hardware e software. Ao criar hardware para gadgets, como computadores, você deve garantir que ele seja executado e execute o código.
Field Programmable Gate Array (FPGA) é uma forma de arquitetura de hardware que permite aos usuários personalizar circuitos de qualquer lugar e a qualquer momento.
Aprender sobre como funciona a programação FPGA será valioso se você quiser seguir uma carreira em ciência da computação ou tecnologia.
Neste artigo, descreveremos o que é programação em FPGA, como funciona e onde é aplicada, além de compartilhar diversos recursos para esclarecê-la.
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Programação FPGA
Um FPGA é um circuito integrado (IC) com blocos lógicos configuráveis e uma variedade de outros recursos que podem ser programados e reprogramados pelo usuário.
A frase ‘programável em campo’ indica que as habilidades do FPGA não são conectadas, mas ajustáveis. Os usuários podem, assim, modificar as funções do circuito a qualquer momento para atender às suas intenções específicas de design.
A programação FPGA pode ser descrita como o processo de criação de soluções de computação usando FPGA.
O programador deve planejar, projetar e executar a arquitetura das portas para criar um circuito funcional que atenda às necessidades dos usuários. O objetivo final da programação FPGA é criar um circuito de hardware que gere uma saída específica quando ligado.
As placas de circuito em um FPGA são projetadas para imitar o comportamento dos circuitos do mundo real. Essas placas de circuito são, portanto, mais usadas pela equipe de garantia de qualidade para testar novos produtos. Um sistema FPGA terá vários elementos de hardware.
As portas lógicas atuam como blocos de construção do FPGA no nível básico. As portas lógicas executam operações booleanas nos dados de entrada e saída. Existem também recursos de roteamento que roteiam sinais de um ponto a outro.
Casos de uso de programação FPGA
A programação FPGA tornou-se muito atraente para os desenvolvedores no mundo moderno.
A seguir estão alguns dos casos de uso;
#1. Projetando ASICs
Os desenvolvedores agora podem projetar circuitos integrados específicos de aplicativos (ASICs). Os ASICs se tornaram muito populares no mundo da mineração de Bitcoin.
O design do FPGA facilita a correção de erros. A beleza de um FPGA é que você pode usá-lo como modelo para outros projetos e, assim, economizar tempo e recursos a longo prazo.
#2. Setor de energia renovável
A energia renovável eólica e solar está se tornando mais popular em um mundo que enfrenta o desafio do aquecimento global. As subestações de transmissão e distribuição (T&D) exigem redes de energia eficientes para que as redes inteligentes funcionem de maneira ideal.
Os FPGAs são muito úteis para melhorar a escalabilidade e o desempenho das redes inteligentes, mantendo o baixo consumo de energia.
#3. Aeroespacial e defesa
Às vezes, os aviões voam em ambientes hostis. As empresas de manufatura, portanto, produzem FPGAs resistentes a radiações e tolerantes a radiações que oferecem mais confiabilidade, desempenho e demandas de ciclo de vida de ambientes extremos do que as implementações ASIC tradicionais.
#4. Aplicativos de servidor
Os datacenters/servidores se tornaram uma coisa à medida que a demanda por velocidade de processamento de dados aumenta a cada dia que passa. Os dados precisam ser processados em tempo real, mesmo sob restrições limitadas de espaço e tempo.
O FPGA, através do BRAM, pode oferecer conectividade a elementos externos de armazenamento de dados, acelerando o processamento de dados em chips.
Benefícios da programação FPGA
- FPGAs são reconfiguráveis. A usabilidade dos FGPAs deve ser considerada. Você pode configurar um e reconfigurá-lo para ser usado em outro aplicativo.
- O FGPA requer menos intervenção manual. O software lida com tarefas de roteamento, temporização e posicionamento em um ambiente FGPA. Essas tarefas podem ser demoradas e complexas se manuseadas manualmente.
- Os FPGAs vêm como telas em branco. Ao contrário dos ASICs tradicionais com funcionalidades predefinidas, os FPGAs podem ser reprogramados para diferentes casos de uso. Um engenheiro pode, assim, programar tal sistema para diferentes casos de uso usando HDLs (Hardware Design Language).
- Prototipagem. Os ASICs são caros de fabricar e um simples erro pode custar muito caro. Antes de liberar seu ASIC para o mercado, é importante garantir que seu sistema esteja funcionando e atenda aos objetivos para os quais foi projetado. Os FPGAs são reprogramáveis, o que significa que você pode testar as execuções até obter o design correto.
Como programar um FPGA
Os projetos usados para executar FPGAs são codificados principalmente em linguagens de descrição de hardware (HDL), como SystemVerilog, Verilog e VHDL.
#1. Verilog
O Verilog é ideal se você deseja programar FPGAs em poucas linhas de código. Essa linguagem é comparável a C, embora seja projetada para arquitetura de hardware. A Verilog foi criada para tornar o HDL mais flexível e robusto.
#2. SystemVerilog
SystemVerilog foi criado como extensão do Verilog. É uma linguagem de verificação e descrição de hardware. Com essa linguagem, você pode descrever padrões de hardware, convertê-los em código digital e carregá-los em um sistema FPGA para executar tarefas específicas.
#3. VHDL
VHDL é a abreviação de Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Com VHDL, você pode descrever o hardware de um FPGA, permitindo que os usuários o modelem e simulem antes de codificá-lo no hardware real.
A programação com VHDL facilita a determinação de possíveis erros no circuito que os usuários podem corrigir antes da codificação final. VHDL permite que os usuários escrevam seu código estruturado.
High-Level Synthesis (HLS), onde o projeto é feito em um subconjunto de C, e o compilador transforma o código em código Verilog, é popular entre os desenvolvedores que desejam programar FPGAs.
Os desenvolvedores podem, portanto, usar as linguagens com as quais estão familiarizados para projetar FPGAs por meio de plataformas de software unificadas.
#4. Pitão
Essa linguagem de programação multifuncional pode ser usada para programar FPGAs. Para conseguir isso, o Python usa o PYNQ, um projeto de código aberto que facilita o trabalho com as plataformas AMD.
#5. C e C++
Linguagens baseadas em C são ideais para projeto de FPGA devido à síntese de alto nível (HLS). O compilador AMD Vivado™ HLS oferece um ambiente de programação que compartilha tecnologias-chave com processadores especializados e padrão, o que otimiza programas baseados em C.
#6. Plataformas de IA como TensorFlow e PyTorch
Os engenheiros usam modelos de aprendizado profundo treinados da Pytorch ou Tensorflow para compilar para aceleração de FPGA. Essa abordagem elimina a necessidade de programação de hardware de baixo nível enquanto ainda obtém uma compilação extremamente rápida.
O código escrito em linguagens de programação normais, como Python, C ou C++, é sintetizado e convertido em descrições de interconexão proprietárias por meio de ferramentas de síntese.
O arquivo resultante contendo a descrição da interconexão é conhecido como bitstream. Um fluxo de bits descreve como configurar um FPGA (como conectar flip-flops, portas e vários elementos de circuito digital por meio da matriz de interconexão do FPGA).
Os FPGAs têm uma configuração embutida que lê o arquivo bitstream e configura o FPGA de acordo. O circuito de configuração pode ler o arquivo bitstream por meio de várias abordagens, como Memória Flash Paralela, JTAG e Memória Flash Serial.
Os fabricantes de placas FPGA fornecem software/instruções que os desenvolvedores usam para configurar/programar os sistemas.
A maioria dos sistemas FPGA pode ser reprogramada tantas vezes quanto possível. A única limitação é quando esses sistemas são danificados por condições fora das especificações, como desgaste, temperatura ou alta tensão.
Você pode aprender mais sobre programação FPGA através destes Recursos de Aprendizagem
Recursos de aprendizagem
#1. Programação FPGA para Iniciantes
Este livro apresenta a você o mundo da programação FPGA usando SystemVerilog. A abordagem de ensino é baseada em projetos, onde você desenvolve aplicativos do mundo real, como um teclado e uma calculadora.
O livro apresenta a arquitetura FPGA antes de explorar como escrever SystemVerilog RTL. Este livro também apresenta noções básicas de matemática de computador, pipelining e paralelismo. O livro também aborda tópicos avançados como AXI e interface de teclado com PS/2.
Este livro é ideal para programadores, engenheiros e desenvolvedores de sistemas embarcados que desejam aprender programação em FPGA e SystemVerilog. Este recurso também é adequado para designers de FPGA que desejam experiência prática na criação de projetos do mundo real.
#2. FPGAs para programadores de software
Este livro apresenta aos engenheiros de software o mundo dos FPGAs e da tecnologia reconfigurável. O livro começa apresentando o FPGA e seu modelo de programação. Este também é o livro a ser usado se você quiser aprender como os FPGAs implementam vários aplicativos sem processos de projeto de hardware de baixo nível.
O livro dá uma noção realista dos problemas que se adequam aos FPGAs e como implementar soluções do ponto de vista de um engenheiro de software. A abordagem orientada ao usuário neste livro torna fácil entender onde a tecnologia FPGA é aplicável e como. Os leitores-alvo deste livro são designers de software e engenheiros de projeto de FPGA.
#3. Iniciando FPGA: Programação Metal
Este livro ensina os leitores a usar o BeMicro MAX 10 para construir um sensor de temperatura, sensor de movimento, sensor de temperatura e visor de carro KITT da Knight Rider. O livro é adequado para iniciantes e adequado para aqueles sem habilidades de programação ou um diploma de engenharia eletrônica.
O livro apresenta os FPGAs e explica suas diferenças em relação aos microcontroladores ou ASICs. É também o recurso para apresentar a você como configurar uma cadeia de ferramentas e usar VHDL para programar o FPGA. O livro é ideal para entusiastas de eletrônica e Raspberry Pi que desejam uma introdução prática ao mundo dos FPGAs.
#4. Programando FPGAs: Introdução ao Verilog
Este livro é perfeito se você nunca interagiu com Verilog e FPGAs. Se programação FPGA é um termo novo para você, este é um bom lugar para começar. As amostras típicas, como contadores e displays de 7 segmentos, deixarão os alunos com o pé direito.
O livro apresenta aos alunos o Verilog e oferece vários exemplos intermediários, como VGA. Este recurso pode não ser o ideal se você já possui conhecimento em Verilog e FPGAs. Este livro está disponível nas versões Kindle e Paperback.
Conclusão
Às vezes, os FPGAs podem ter um desempenho melhor do que as GPUs em aplicativos de aprendizado profundo com baixa latência. A programação de FPGA é uma habilidade essencial, pois o FPGA pode ser usado em eletrônicos de consumo, automação industrial e aplicações militares, entre muitas outras aplicações. Os FPGAs ainda estão evoluindo e podemos apenas esperar para vê-los ajustados para mais casos de uso e melhor desempenho.