Hay una línea muy delgada entre el hardware y el software. Al crear hardware para dispositivos como computadoras, debe asegurarse de que se ejecute y ejecute el código.
Field Programmable Gate Array (FPGA) es una forma de arquitectura de hardware que permite a los usuarios personalizar circuitos desde cualquier lugar y en cualquier momento.
Aprender cómo funciona la programación de FPGA será útil si desea seguir una carrera en informática o tecnología.
En este artículo, describiremos qué es la programación FPGA, cómo funciona y dónde se aplica, y compartiremos varios recursos para arrojar más luz sobre ella.
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Programación de FPGA
Un FPGA es un circuito integrado (IC) con bloques lógicos configurables y una variedad de otras funciones que el usuario puede programar y reprogramar.
El término «programable en campo» indica que las capacidades de la FPGA no están cableadas sino que son ajustables. Los usuarios pueden modificar las funciones del circuito en cualquier momento para cumplir con sus intenciones de diseño específicas.
La programación de FPGA se puede describir como el proceso de creación de soluciones informáticas utilizando FPGA.
El programador debe planificar, diseñar y ejecutar la arquitectura de las puertas para crear un circuito funcional que satisfaga las necesidades de los usuarios. El objetivo final de la programación de FPGA es crear un circuito de hardware que genere una salida específica cuando se enciende.
Las placas de circuito de un FPGA están diseñadas para imitar el comportamiento de los circuitos del mundo real. Estos circuitos impresos son, por tanto, los más utilizados por el equipo de control de calidad para probar nuevos productos. Un sistema FPGA tendrá varios elementos de hardware.
Las puertas lógicas actúan como bloques de construcción de la FPGA en el nivel básico. Las puertas lógicas realizan operaciones booleanas en los datos de entrada y salida. También hay recursos de enrutamiento que enrutan señales de un punto a otro.
Casos de uso de programación de FPGA
La programación de FPGA se ha vuelto muy atractiva para los desarrolladores en el mundo moderno.
Aquí hay algunos casos de uso;
#1. Diseño de ASIC
Los desarrolladores ahora pueden diseñar circuitos integrados específicos de la aplicación (ASIC). Los ASIC se han vuelto muy populares en el mundo de la minería de Bitcoin.
El diseño de la FPGA facilita la corrección de errores. La belleza de un FPGA es que puede usarlo como plantilla para otros proyectos y ahorrar tiempo y recursos a largo plazo.
#2. sector de las energías renovables
Las energías renovables de fuentes eólicas y solares están ganando popularidad en un mundo que enfrenta el desafío del calentamiento global. Las subestaciones de transmisión y distribución (T&D) requieren redes eléctricas eficientes para que las redes inteligentes funcionen de manera óptima.
Los FPGA son muy útiles para mejorar la escalabilidad y el rendimiento de las redes inteligentes manteniendo un bajo consumo de energía.
#3. Aeronáutica y defensa
Los aviones a veces vuelan en entornos hostiles. Por lo tanto, las empresas de fabricación están produciendo FPGA resistentes a la radiación y tolerantes a la radiación que ofrecen más requisitos de confiabilidad, rendimiento y ciclo de vida de entornos extremos que las implementaciones tradicionales de ASIC.
#4. aplicación de servidor
Los centros de datos/servidores se han convertido en una cosa ya que la demanda de velocidad de procesamiento de datos aumenta con cada día que pasa. Los datos deben procesarse en tiempo real, incluso con limitaciones de tiempo y espacio.
El FPGA, a través de BRAM, puede proporcionar conectividad a elementos de almacenamiento de datos externos, lo que acelera el procesamiento de datos en el chip.
Beneficios de la programación FPGA
- Los FPGA son reconfigurables. Se debe tener en cuenta la facilidad de uso de los FGPA. Puede configurar uno y reconfigurarlo para usarlo en otra aplicación.
- FGPA requiere menos intervención manual. El software gestiona las tareas de enrutamiento, sincronización y ubicación en un entorno FGPA. Estas tareas pueden llevar mucho tiempo y ser complejas si se manejan manualmente.
- Los FPGA se presentan como lienzos en blanco. A diferencia de los ASIC tradicionales con funcionalidad predefinida, los FPGA se pueden reprogramar para diferentes casos de uso. Por lo tanto, un ingeniero puede programar un sistema de este tipo para diferentes casos de uso utilizando HDL (lenguaje de diseño de hardware).
- Prototipos. Los ASIC son costosos de fabricar y un solo error puede ser muy costoso. Antes de lanzar su ASIC al mercado, es importante asegurarse de que su sistema sea funcional y cumpla con los objetivos para los que fue diseñado. Los FPGA son reprogramables, lo que significa que puede realizar pruebas hasta obtener el diseño correcto.
Como programar una FPGA
Los diseños utilizados para ejecutar FPGA están codificados principalmente en lenguajes de descripción de hardware (HDL) como SystemVerilog, Verilog y VHDL.
#1. Verilog
Verilog es ideal si desea programar FPGA en unas pocas líneas de código. Este lenguaje es comparable a C incluso si está diseñado para arquitectura de hardware. Verilog fue creado para hacer HDL más flexible y robusto.
#2. Sistema Verilog
SystemVerilog fue creado como una extensión de Verilog. Es un lenguaje de descripción y verificación de hardware. Con este lenguaje, puede describir modelos de hardware, convertirlos en código digital y luego cargarlos en un sistema FPGA para realizar tareas específicas.
#3. VHDL
VHDL es la abreviatura de lenguaje de descripción de hardware de circuito integrado de muy alta velocidad. Con VHDL, puede describir el hardware de un FPGA, lo que permite a los usuarios modelarlo y simularlo antes de codificarlo en hardware real.
La programación con VHDL facilita la determinación de posibles errores en el circuito que los usuarios pueden corregir antes de la codificación final. VHDL permite a los usuarios escribir su código estructurado.
La síntesis de alto nivel (HLS), donde el diseño se realiza en un subconjunto de C y el compilador transforma el código en código Verilog, es popular entre los desarrolladores que desean programar FPGA.
Los desarrolladores pueden usar los lenguajes que conocen para diseñar FPGA a través de plataformas de software unificadas.
#4. Pitón
Este versátil lenguaje de programación se puede utilizar para programar FPGA. Para lograr esto, Python utiliza PYNQun proyecto de código abierto que facilita el trabajo con plataformas AMD.
#5. C y C++
Los lenguajes basados en C son ideales para el diseño de FPGA debido a la síntesis de alto nivel (HLS). El compilador AMD Vivado™ HLS proporciona un entorno de programación que comparte tecnologías clave con procesadores especiales y estándar, lo que optimiza los programas basados en C.
#6. Plataformas de IA como TensorFlow y PyTorch
Los ingenieros usan modelos de aprendizaje profundo capacitados de Pytorch o Tensorflow para compilar para la aceleración de FPGA. Tal enfoque elimina la necesidad de programación de hardware de bajo nivel mientras logra una compilación ultrarrápida.
El código escrito en lenguajes de programación normales, como Python, C o C++, se sintetiza y convierte en descripciones de interconexión propietarias a través de herramientas de síntesis.
El archivo resultante que contiene la descripción de la interconexión se denomina flujo de bits. Un flujo de bits describe cómo configurar una FPGA (cómo conectar flip-flops, puertas y varios circuitos digitales a través de la estructura de interconexión de la FPGA).
Los FPGA tienen una configuración integrada que lee el archivo de flujo de bits y configura el FPGA en consecuencia. El circuito de configuración puede leer el archivo de flujo de bits a través de varios enfoques, como memoria flash paralela, JTAG y memoria flash en serie.
Los fabricantes de placas FPGA proporcionan software/instrucciones que los desarrolladores utilizan para configurar/programar sistemas.
La mayoría de los sistemas FPGA se pueden reprogramar tantas veces como sea posible. La única limitación es cuando estos sistemas se dañan por condiciones fuera de especificación, como desgaste, temperatura o alto voltaje.
Puede obtener más información sobre la programación de FPGA con estos recursos de aprendizaje
Recursos de aprendizaje
#1. Programación FPGA para principiantes
Este libro lo introduce al mundo de la programación de FPGA usando SystemVerilog. El enfoque de enseñanza se basa en proyectos, donde desarrolla aplicaciones del mundo real, como un teclado y una calculadora.
El libro presenta la arquitectura FPGA antes de explorar cómo escribir SystemVerilog RTL. Este libro también le presenta los conceptos básicos de las matemáticas informáticas, la canalización y el paralelismo. El libro también cubre temas avanzados como AXI y la interfaz de teclado con PS/2.
Este libro es ideal para programadores, ingenieros y desarrolladores de sistemas integrados que desean aprender a programar FPGA y SystemVerilog. Este recurso también es adecuado para diseñadores de FPGA que buscan experiencia práctica en la creación de proyectos del mundo real.
#2. FPGA para programadores de software
Este libro presenta a los ingenieros de software el mundo de los FPGA y la tecnología reconfigurable. El libro comienza presentando el FPGA y su modelo de programación. Este es también el libro al que debe acudir si desea aprender cómo los FPGA implementan varias aplicaciones sin procesos de diseño de hardware de bajo nivel.
El libro da una idea realista de qué problemas son adecuados para los FPGA y explica cómo implementar soluciones desde la perspectiva de un ingeniero de software. El enfoque orientado al usuario de este libro facilita la comprensión de dónde y cómo se aplica la tecnología FPGA. Los lectores objetivo de este libro son diseñadores de software e ingenieros de diseño de FPGA.
#3. Inicio FPGA: Programación de metales
Este libro enseña a los lectores cómo usar BeMicro MAX 10 para construir un sensor de temperatura, un sensor de movimiento, un sensor de temperatura y una exhibición de automóvil Knight Rider KITT. El libro es apto para principiantes y adecuado para quienes no tienen conocimientos de programación ni un título en ingeniería electrónica.
El libro presenta los FPGA y explica sus diferencias con los microcontroladores o ASIC. Este es también el recurso para mostrarle cómo configurar una cadena de herramientas y usar VHDL para programar el FPGA. El libro es ideal para los entusiastas de la electrónica y Raspberry Pi que desean una introducción práctica al mundo de los FPGA.
#4. Programación de FPGA: Primeros pasos con Verilog
Este libro es perfecto si nunca ha interactuado con Verilog y FPGA. Si la programación de FPGA es un término nuevo para usted, este es un buen lugar para comenzar. Los ejemplos típicos, como los contadores y las pantallas de 7 segmentos, pondrán a los alumnos en el camino correcto.
El libro presenta Verilog a los estudiantes y ofrece varios ejemplos intermedios como VGA. Este recurso puede no ser ideal si ya tiene conocimiento de Verilog y FPGA. Este libro está disponible en versiones Kindle y Paperback.
Conclusión
En ocasiones, las FPGA pueden superar a las GPU en aplicaciones de aprendizaje profundo de baja latencia. La programación de FPGA es una habilidad esencial porque la FPGA se puede utilizar en electrónica de consumo, automatización industrial y aplicaciones militares, entre muchas otras aplicaciones. Los FPGA siempre están evolucionando y solo podemos esperar a verlos refinados para más casos de uso y un mejor rendimiento.
