Il existe une ligne très mince entre le matériel et le logiciel. Lors de la création de matériel pour des gadgets tels que des ordinateurs, vous devez vous assurer qu’il exécute et exécute du code.
Field Programmable Gate Array (FPGA) est une forme d’architecture matérielle qui permet aux utilisateurs de personnaliser les circuits de n’importe où et à tout moment.
Apprendre comment fonctionne la programmation FPGA sera utile si vous souhaitez poursuivre une carrière en informatique ou en technologie.
Dans cet article, nous décrirons ce qu’est la programmation FPGA, comment elle fonctionne et où elle est appliquée, et partagerons diverses ressources pour l’éclairer davantage.
Table des matières
Programmation FPGA
Un FPGA est un circuit intégré (IC) avec des blocs logiques configurables et un assortiment d’autres fonctionnalités qui peuvent être programmées et reprogrammées par l’utilisateur.
L’expression « programmable sur le terrain » indique que les capacités du FPGA ne sont pas câblées mais réglables. Les utilisateurs peuvent ainsi modifier les fonctions du circuit à tout moment pour répondre à leurs intentions de conception spécifiques.
La programmation FPGA peut être décrite comme le processus de création de solutions informatiques à l’aide de FPGA.
Le programmeur doit planifier, concevoir et exécuter l’architecture des portes pour créer un circuit fonctionnel qui répond aux besoins des utilisateurs. L’objectif final de la programmation FPGA est de créer un circuit matériel qui génère une sortie spécifique lorsqu’il est sous tension.
Les circuits imprimés d’un FPGA sont conçus pour imiter le comportement des circuits du monde réel. Ces circuits imprimés sont donc les plus utilisés par l’équipe d’assurance qualité pour tester de nouveaux produits. Un système FPGA aura divers éléments matériels.
Les portes logiques agissent comme les blocs de construction du FPGA au niveau de base. Les portes logiques effectuent des opérations booléennes sur les données d’entrée et de sortie. Il existe également des ressources de routage qui acheminent les signaux d’un point à un autre.
Cas d’utilisation de la programmation FPGA
La programmation FPGA est devenue très attrayante pour les développeurs du monde moderne.
Voici quelques cas d’utilisation ;
#1. Concevoir des ASIC
Les développeurs peuvent désormais concevoir des circuits intégrés spécifiques à une application (ASIC). Les ASIC sont devenus très populaires dans le monde du minage de Bitcoin.
La conception du FPGA facilite la correction des erreurs. La beauté d’un FPGA est que vous pouvez en utiliser un comme modèle pour d’autres projets et ainsi économiser du temps et des ressources à long terme.
#2. Secteur des énergies renouvelables
Les énergies renouvelables d’origine éolienne et solaire gagnent en popularité dans un monde confronté au défi du réchauffement climatique. Les sous-stations de transmission et de distribution (T&D) nécessitent des réseaux électriques efficaces pour que les réseaux intelligents fonctionnent de manière optimale.
Les FPGA sont très utiles pour améliorer l’évolutivité et les performances des réseaux intelligents tout en maintenant une faible consommation d’énergie.
#3. Aéronautique et défense
Les avions volent parfois dans des environnements difficiles. Les entreprises de fabrication produisent ainsi des FPGA résistants aux radiations et tolérants aux radiations qui offrent plus de fiabilité, de performances et d’exigences de cycle de vie des environnements extrêmes que les implémentations ASIC traditionnelles.
#4. Application serveur
Les centres de données/serveurs sont devenus une chose à mesure que la demande de vitesse de traitement des données augmente chaque jour qui passe. Les données doivent être traitées en temps réel, même sous des contraintes d’espace et de temps limitées.
Le FPGA, via BRAM, peut offrir une connectivité aux éléments de stockage de données externes, accélérant le traitement des données sur les puces.
Avantages de la programmation FPGA
- Les FPGA sont reconfigurables. La convivialité des FGPA doit être prise en compte. Vous pouvez en configurer un et le reconfigurer pour l’utiliser dans une autre application.
- FGPA nécessite moins d’interventions manuelles. Le logiciel gère les tâches de routage, de synchronisation et de placement dans un environnement FGPA. Ces tâches peuvent prendre du temps et être complexes si elles sont gérées manuellement.
- Les FPGA se présentent comme des toiles vierges. Contrairement aux ASIC traditionnels avec des fonctionnalités prédéfinies, les FPGA peuvent être reprogrammés pour différents cas d’utilisation. Un ingénieur peut ainsi programmer un tel système pour différents cas d’utilisation en utilisant les HDL (Hardware Design Language).
- Prototypage. Les ASIC sont coûteux à fabriquer et une simple erreur peut coûter très cher. Avant de lancer votre ASIC sur le marché, il est important de vous assurer que votre système est fonctionnel et répond aux objectifs pour lesquels il a été conçu. Les FPGA sont reprogrammables, ce qui signifie que vous pouvez tester des exécutions jusqu’à ce que vous obteniez la bonne conception.
Comment programmer un FPGA
Les conceptions utilisées pour exécuter les FPGA sont principalement codées en langages de description de matériel (HDL) tels que SystemVerilog, Verilog et VHDL.
#1. Verilog
Verilog est idéal si vous souhaitez programmer des FPGA en quelques lignes de code. Ce langage est comparable au C même s’il est conçu pour l’architecture matérielle. Verilog a été créé pour rendre le HDL plus flexible et plus robuste.
#2. System Verilog
SystemVerilog a été créé en tant qu’extension de Verilog. C’est à la fois un langage de vérification du matériel et de description du matériel. Avec ce langage, vous pouvez décrire des modèles matériels, les convertir en code numérique, puis les télécharger dans un système FPGA pour effectuer des tâches spécifiées.
#3. VHDL
VHDL est l’abréviation de Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language. Avec VHDL, vous pouvez décrire le matériel d’un FPGA, permettant aux utilisateurs de le modéliser et de le simuler avant de l’encoder dans le matériel réel.
La programmation avec VHDL permet de déterminer facilement les erreurs potentielles dans le circuit que les utilisateurs peuvent corriger avant l’encodage final. VHDL permet aux utilisateurs d’écrire leur code structuré.
La synthèse de haut niveau (HLS), où la conception est effectuée dans un sous-ensemble de C, et le compilateur transforme le code en code Verilog, est populaire auprès des développeurs qui souhaitent programmer des FPGA.
Les développeurs peuvent ainsi utiliser les langages qu’ils maîtrisent pour concevoir des FPGA via des plates-formes logicielles unifiées.
#4. Python
Ce langage de programmation polyvalent peut être utilisé pour programmer des FPGA. Pour y parvenir, Python utilise PYNQ, un projet open source qui facilite le travail avec les plates-formes AMD.
#5. C et C++
Les langages basés sur C sont idéaux pour la conception de FPGA en raison de la synthèse de haut niveau (HLS). Le compilateur AMD Vivado™ HLS offre un environnement de programmation partageant des technologies clés avec des processeurs spécialisés et standard, ce qui optimise les programmes basés sur C.
#6. Plateformes d’IA comme TensorFlow et PyTorch
Les ingénieurs utilisent des modèles d’apprentissage en profondeur entraînés de Pytorch ou Tensorflow pour compiler pour l’accélération FPGA. Une telle approche élimine le besoin de programmation matérielle de bas niveau tout en réalisant une compilation ultra-rapide.
Le code écrit dans des langages de programmation normaux, tels que Python, C ou C++, est synthétisé et converti en descriptions d’interconnexion propriétaires via des outils de synthèse.
Le fichier résultant contenant la description de l’interconnexion est appelé flux binaire. Un bitstream décrit comment configurer un FPGA (comment connecter des bascules, des portes et divers éléments de circuit numérique via la matrice d’interconnexion du FPGA).
Les FPGA ont une configuration intégrée qui lit le fichier bitstream et configure le FPGA en conséquence. Le circuit de configuration peut lire le fichier de flux binaire via diverses approches, telles que la mémoire flash parallèle, JTAG et la mémoire flash série.
Les fabricants de cartes FPGA fournissent des logiciels/instructions que les développeurs utilisent pour configurer/programmer les systèmes.
La plupart des systèmes FPGA peuvent être reprogrammés autant de fois que possible. La seule limitation est lorsque ces systèmes sont endommagés par des conditions hors spécifications telles que l’usure, la température ou la haute tension.
Vous pouvez en savoir plus sur la programmation FPGA grâce à ces ressources d’apprentissage
Ressources d’apprentissage
#1. Programmation FPGA pour les débutants
Ce livre vous présente le monde de la programmation FPGA à l’aide de SystemVerilog. L’approche pédagogique est basée sur des projets, où vous développez des applications du monde réel telles qu’un clavier et une calculatrice.
Le livre présente l’architecture FPGA avant d’explorer comment écrire SystemVerilog RTL. Ce livre vous présente également les bases des mathématiques informatiques, le pipelining et le parallélisme. Le livre aborde également des sujets avancés tels que AXI et l’interfaçage clavier avec PS/2.
Ce livre est idéal pour les programmeurs, les ingénieurs et les développeurs de systèmes embarqués qui souhaitent apprendre la programmation FPGA et SystemVerilog. Cette ressource convient également aux concepteurs de FPGA qui ont soif d’expérience pratique dans la création de projets réels.
#2. FPGA pour les programmeurs de logiciels
Ce livre présente aux ingénieurs logiciels le monde des FPGA et de la technologie reconfigurable. Le livre commence par présenter le FPGA et son modèle de programmation. C’est également le livre à utiliser si vous souhaitez apprendre comment les FPGA implémentent diverses applications sans processus de conception matérielle de bas niveau.
Le livre donne une idée réaliste des problèmes qui conviennent aux FPGA et explique comment mettre en œuvre des solutions du point de vue d’un ingénieur logiciel. L’approche orientée utilisateur de ce livre permet de comprendre facilement où la technologie FPGA est applicable et comment. Les lecteurs cibles de ce livre sont les concepteurs de logiciels et les ingénieurs concepteurs de FPGA.
#3. Débuter FPGA : Programmation Métal
Ce livre enseigne aux lecteurs comment utiliser BeMicro MAX 10 pour construire un capteur de température, un capteur de mouvement, un capteur de température et un écran de voiture KITT de Knight Rider. Le livre est adapté aux débutants et convient à ceux qui n’ont pas de compétences en programmation ou un diplôme d’ingénieur en électronique.
Le livre présente les FPGA et explique leurs différences avec les microcontrôleurs ou les ASIC. C’est également la ressource pour vous présenter comment configurer une chaîne d’outils et utiliser VHDL pour programmer le FPGA. Le livre est idéal pour les passionnés d’électronique et de Raspberry Pi qui souhaitent une introduction pratique au monde des FPGA.
#4. Programmation de FPGA : Premiers pas avec Verilog
Ce livre est parfait si vous n’avez jamais interagi avec Verilog et les FPGA. Si la programmation FPGA est un nouveau terme pour vous, c’est un bon point de départ. Les exemples typiques, tels que les compteurs et les affichages à 7 segments, mettront les apprenants sur le bon pied.
Le livre présente Verilog aux apprenants et propose divers exemples intermédiaires comme VGA. Cette ressource peut ne pas être idéale si vous avez déjà des connaissances sur Verilog et FPGA. Ce livre est disponible en versions Kindle et Broché.
Conclusion
Les FPGA peuvent parfois être plus performants que les GPU dans les applications d’apprentissage en profondeur à faible latence. La programmation FPGA est une compétence essentielle car le FPGA peut être utilisé dans l’électronique grand public, l’automatisation industrielle et les applications militaires, parmi de nombreuses autres applications. Les FPGA évoluent toujours, et nous ne pouvons qu’attendre de les voir affinés pour plus de cas d’utilisation et de meilleures performances.