Sorry, you have been blocked
This website is using a security service to protect itself from online attacks. The action you just performed triggered the security solution. There are several actions that could trigger this block including submitting a certain word or phrase, a SQL command or malformed data.
What can I do to resolve this?
You can email the site owner to let them know you were blocked. Please include what you were doing when this page came up and the Cloudflare Ray ID found at the bottom of this page.
Cloudflare Ray ID: 7ece912879b83005 • Your IP: Click to reveal 185.252.223.39 • Performance & security by Cloudflare
Что такое FPGA? Введение в программируемую логику
Рассмотрим аппаратный подход к выполнению вычислений, маршрутизации цифровых сигналов и управлении встраиваемыми системами с помощью программируемой логики и FPGA (Field-Programmable Gate Array, программируемой пользователем вентильной матрицы).
FPGA – это программируемая логическая матрица. По своей сути, FPGA представляет собой массив взаимосвязанных цифровых подсхем, которые реализуют общие функции, а также предлагают очень высокий уровень гибкости. Но полная картина того, что такое FPGA, требует большего разбирательства. В данной статье представлены концепции FPGA и кратко обсуждается, что такое логические элементы, как программировать FPGA, и что отличает FPGA от микропроцессоров в плане разработки.
FPGA против микроконтроллера (Или зачем использовать FPGA, когда будет работать и микроконтроллер?)
Я думаю, мы все можем согласиться с тем, что микроконтроллеры стали доминирующим компонентом в современных электронных проектах. Они недорогие и универсальные, и в наши дни они часто служат первым в мире знакомством с миром электроники. Естественно, что мы продолжаем использовать компоненты, с которыми знакомы, и поскольку микроконтроллеры становятся всё более мощными, всё меньше и меньше нужно рассматривать альтернативные решения для наших задач проектирования. Тем не менее, микроконтроллер построен вокруг процессора, а процессоры имеют фундаментальные ограничения, которые необходимо признать и в некоторых случаях преодолеть.
Итак, когда инженер предпочтет FPGA микроконтроллеру? Ответ сводится к программному обеспечению и аппаратным средствам.
Процессор выполняет свои задачи, выполняя инструкции последовательно. Это означает, что операции процессора, по сути, ограничены: требуемая функциональность должна быть адаптирована к доступным инструкциям, и в большинстве случаев невозможно одновременно выполнять несколько задач обработки.
Микроконтроллер построен на одном процессоре, а процессор построен на одном CPU, а один CPU выполняет одну операцию за раз
Набор инструкций рассчитан на высокую универсальность, и в настоящее время инструкции могут выполняться на чрезвычайно высоких частотах; однако эти характеристики не устраняют недостатки программного подхода к цифровому проектированию.
Альтернативой является аппаратный подход. Было бы чрезвычайно удобно, если бы каждый новый проект мог быть построен вокруг цифровой микросхемы, которая в точности реализует функциональность, требуемую системой: нет необходимости писать программное обеспечение, никаких ограничений набора команд, никаких задержек обработки, только одна микросхема, которая имеет входные выводы, выходные выводы и цифровую схему, в точности соответствующую необходимым операциям. Эта методология нецелесообразна вне описания, поскольку она предполагает разработку ASIC (application-specific integrated circuit, специализированной интегральной микросхемы) для каждой платы. Однако мы можем аппроксимировать эту методологию, используя FPGA.
Что такое программируемая пользователем вентильная матрица?
Хорошее название может быть довольно информативным, и я бы подумал, что «программируемая пользователем вентильная матрица» («field-programmable gate array») будет достаточно хорошим названием. FPGA – это матрица логических вентилей (ну вроде – смотрите ниже) и эта матрица может быть запрограммирована (на самом деле, «сконфигурирована», вероятно, более подходящее слово) в поле, то есть пользователем устройства, как противоположность людям, которые его разработали. Давайте посмотрим на основные характеристики.
Логические вентили (элементы) (И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и т.д.) являются основными строительными блоками цифровой схемы. Поэтому неудивительно, что цифровое устройство, которое должно быть чрезвычайно конфигурируемым (то есть "field-programmable" / программируемым в поле / программируемым пользователем), будет состоять из множества вентилей, которые могут быть связаны между собой настраиваемым способом.
Однако FPGA не является огромной коллекцией отдельных булевых элементов. Это было бы очень неоптимальным способом обеспечения функциональности конфигурируемой логики, потому что не использовало бы тот факт, что распространенные операции могут быть реализованы гораздо эффективнее как фиксированные модули. Тот же принцип проявляется и в мире дискретных цифровых микросхем. Вы можете купить микросхемы, которые состоят из элементов И, элементов ИЛИ и т.д., но вы не захотите создавать сдвиговый регистр из отдельных элементов. Вместо этого вы купите микросхему сдвигового регистра.
Матрица конфигурируемых логических блоков
Конфигурируемые логические блоки (CLB) должны взаимодействовать друг с другом и с внешней схемой. Для этих целей FPGA использует матрицу программируемых межсоединенй и блоков ввода/вывода (I/O). «Программа» FPGA хранится в ячейках SRAM, которые влияют на функциональность блоков CLB и управляют коммутаторами, которые устанавливают пути подключения.
Подробное объяснение внутренней структуры и работы блоков CLB потребует целой статьи (если не нескольких статей). Общая идея заключается в том, что CLB включают в себя таблицы поиска, элементы хранения (триггеры и регистры) и мультиплексоры, которые позволяют CLB выполнять логические операции, операции хранения данных и арифметические операции.
Блок ввода/вывода состоит из различных компонентов, которые облегчают связь между CLB и другими компонентами на плате. К ним относятся подтягивающие резисторы, буферы и инверторы.
Программируемая пользователем логика (Или как вы программируете FPGA?)
Как мы собираемся превратить массив настраиваемых логических блоков (CLB, Configurable Logic Block) в цифровую схему, которая делает именно то, что мы хотим? На первый взгляд это кажется довольно сложной задачей. Действительно, реализация FPGA обычно считается сложнее, чем программирование микроконтроллера. Однако разработка для FPGA не требует глубокого знания функциональности CLB или кропотливой компоновки внутренних межсоединений, так же как разработка для микроконтроллеров не требует глубокого знания инструкций на языке ассемблера процессора или внутренних сигналов управления.
На самом деле, несколько неверно представлять FPGA как самостоятельный компонент. FPGA всегда поддерживаются программным обеспечением для разработки, которое выполняет сложный процесс преобразования аппаратного проектирования в программируемые биты, которые определяют поведение межсоединений и CLB.
Это оставляет нам важный вопрос: как мы «объясним» программе, что должно делать аппаратное обеспечение FPGA?
Языки описания аппаратных средств
Оказывается, люди создали языки, которые позволяют нам «описывать» аппаратное обеспечение, они называются (очень соответствующе) языки описания аппаратных средств (HDL, hardware description language), а два наиболее распространенных – VHDL и Verilog. Несмотря на очевидное сходство между HDL кодом и кодом, написанным на языке программирования высокого уровня, они принципиально отличаются друг от друга. Код программы определяет последовательность операций, тогда как HDL код больше похож на схему, которая использует текст для представления компонентов и создания взаимосвязей.
Пример цифровой схемы, которая соответствует VHDL коду, приведенному ниже
Заключение
Надеюсь, теперь вы понимаете основные характеристики устройств программируемой логики и их потенциальные преимущества в отношении процессорных систем. Современные FPGA – это сложные, высокопроизводительные устройства, которые могут быть несколько пугающими для тех, кто привык использовать микроконтроллеры для сбора данных, управления микросхемами специального назначения и выполнения математических операций. Однако вы можете обнаружить, что в некоторых приложениях улучшенная производительность и универсальность стоят дополнительных усилий в разработке.
А в ближайшее время на RadioProg появится несколько статей, помогающих начать разработку на FPGA.
What is FPGA?
Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are semiconductor devices that are based around a matrix of configurable logic blocks (CLBs) connected via programmable interconnects. FPGAs can be reprogrammed to desired application or functionality requirements after manufacturing.
The acceleration methods for neural network are mainly divided into two types:
- Software design optimization.
- Hardware design improvement.
Acceleration methods
Software design optimization goal is to reduce the computation or bandwidth requirements of the neural network. Again, there are three different ways:
- Optimization of Algorithm Procedure.
- Data quantification.
- weight reduction.
The optimization of algorithm is a kind of procedure for different neural network models and the calculation processes is transformed without any affect in the result.
Data Quantification is used to reduce the bandwidth and storage requirements in neural network computing.
Weight reduction is to use a low rank matrix so that the actual weight is reduced by reducing the total calculation of the model.
Designing Accelerators
Utilizing FPGA design accelerators for specific problems is currently the most extensive area of FPGA accelerator applications. Designing an accelerator specifically for a specific problem, it not only fits the problem well but also has a relatively small design difficulty. Designing accelerators for specific problems often speed up the reasoning process of deeplearning algorithms rather than the learning process.
Advantages and Disadvantages:
Some of the advantages of FPGA based accelerator are its high performance even with low energy. Also, high parallelism is the main property of choosing FPGA platform.
FPGA can be applied to complex engineering situation due to the reconfiguability.
On the other hand the cost of reconfiguration is one of its dimerit.
Also, it requires hardware programming generally using hardware programming languages that would cost programmers much time to master.
Without a doubtAccelerating deep learning algorithms is a study that has increased many attentions in recent years. Although FPGA/ASIC also has such a good acceleration capability, it is only popularized in the research field due to programming complexity and other issues
Что такое ПЛИС простым языком для начинающих
С чем ассоциируется цифровая электроника? В первую очередь с логическими элементами И, ИЛИ, НЕ. Далее в память приходят сдвиговые регистры, дешифраторы, мультиплексоры и прочее. Однако, по мере роста сложности электронных устройств и тенденции к миниатюризации, создание приборов на базе интегральных микросхем (ИМС) из вышеперечисленных компонентов затруднилось, заказные ИМС нужной топологии и схемотехники оправдывали себя только при крупном тиражировании устройства, в остальных случаях — это было неоправданно дорого.
Выходом из сложившейся ситуации стало развитие программируемых интегральных логических схем (сокращенно — ПЛИС, зарубежная аббревиатура — programmable logic device, PLD). Что это такое и где используется мы расскажем в этой статье.
Содержание статьи
Отличия от микроконтроллеров
При слове «программируемый» у большинства новичков происходит ассоциация с микроконтроллерами. Не смотря на то что их также программируют, ПЛИС — это совершенно другое устройство.
Для разработчиков в микроконтроллерах доступен фиксированный набор решений и средств присущих конкретному чипу, отступить от архитектуры никаким образом не получится. Вам предоставлен набор команд, с помощью которых вы производите операции взаимодействия с окружающей средой, посредством считывания данных с цифровых и аналоговых входов и отправка сигналов исполнительным устройствам с помощью выходов.
Кроме этого вы можете производить вычисления, сохранять данные в регистрах или ПЗУ, а также оперировать данными прошитыми в память микроконтроллера. На этом в сущности и заключается назначение и особенности работы с микроконтроллерами.
Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС) отличаются тем, что, программируя устройство вы сами создаете архитектуру из базовых логических элементов. Таким образом вы получаете высокое быстродействию и гибкость микросхемы. Это даёт возможность, не изменяя одного чипа сделать целый ряд проектов.
Обобщённо внутреннее устройство ПЛИС можно разделить на три основных группы:
1. Массив из логических элементов (макроячеек, логических блоков).
2. Блоки входа-выхода (IO).
3. Линии связи между ними и устройство, которое управляет этими связями.
Однако такое структурирование очень обобщено, немного подробнее мы рассмотрим этот вопрос ниже.
Программируя вы соединяете элементы подобно тому как бы вы это делали, собирая из отдельных элементов устройство и соединяя их входы и выходы проводниками.
Главным отличием ПЛИС от микроконтроллеров является то, что в микроконтроллере вы не можете изменять внутренних связей между простейшими элементами, а в ПЛИС на основе прописывания связей основывается программирование и работа с ними.
Выбор микроконтроллеров происходит на основе множества критериев, таких как:
Быстродействие и тактовая частота;
Объем ПЗУ и ОЗУ;
Количество входов и выходов.
Другие функциональные особенности и периферии, типа поддержки линий связи и протоколов (I2C, one-wire, PWM-сигнал и прочее).
При выборе ПЛИС основным критерием является количество программируемых блоков — их должно хватить для реализации задачи.
В зависимости от конкретного ПЛИС количество блоков может изменяться в широких пределах, соответственно изменяется и стоимость.
Микроконтроллер выполняет последовательно все операции, прописанные в его программе, в то время как блоки ПЛИС выполняют задачу параллельно и независимо друг от друга, поэтому сравнение этих устройств по тактовой частоте нецелесообразно. Слишком различается их принцип работы.
Виды
Актуальными на сегодняшний день являются два основных вида ПЛИС:
1. CPLD (Complex Programmable Logic Device — Программируемая Логическая Интегральная Микросхема, собственно это и есть ПЛИС в её классическом понимании). В ней обычно есть встроенная энергонезависимая памятью, в которую загружается прошивка.
Внутренняя структура строится на матрице макроячеек или логических блоков, а количество элементов в них лежит в пределах сотен и тысяч штук. Благодаря относительной простоте стоят дешевле чем следующий вид программируемой логики. Всё это приводит к тому, что используется CPLD в основном в схемах, где нужна высокая скорость и большое число выводов, при этом выполняют несложные задачи.
2. FPGA (Field-Programmable Gate Array — Программируемая Пользователем Вентильная Матрица, однако её часто относят к ПЛИС) — более развитые и сложные устройства по сравнению с CPLD, строятся на логических блоках с гибкой коммутаций и содержат большее число элементов (десятки или сотни тысяч штук).
Прошивка, как правило, хранится во внешней энергонезависимой памяти. Кроме простейших логических элементов в FPGA могут содержаться готовые блоки для выполнения каких-либо операций, например, блоки обработки сигнала DSP. Всё это позволяет реализовать процессор, устройства обработки сигналов и другие сложные устройства.
Интересно:
Хотя фактически наличие энергонезависимой памяти не делает программируемую логику CPLD. Это частично заблуждение. Главным отличием CPLD от FPGA является внутренняя структура.
Подробнее внутреннее устройство CPLD изображено на рисунке ниже.
А примерная схема её макроячейки выглядит таким образом:
Макроячейка состоит из программируемых мультиплексоров, триггеров (одного или нескольких) и формирует группу выходных сигналов ФБ в нескольких их вариантах.
Ниже приведен еще один пример – блок-схема CPLD микросхемы семейства MAX II фирмы Altera.
И структурный план микросхем этого же семейства.
Промежуточные шины макроячейкам назначаются с помощью такого узла, как распределитель, на англ. он звучит как Logic Allocator, что изображено на схеме ниже, на ней же изображена матрица переключений (Global Routing Pool), а у выходных макроячейки (macrocells) имеют по две обратных связи.
Внешние выводы микросхемы соединяются с выходами макроячеек через еще один блок (матрицу) – ORP (Output Routing Pool), обратите внимание, что через неё же происходит соединение ВХОДНОЙ логики с GRP, что изображено на иллюстрации ниже.
В некоторых CPLD есть т.н. прямые входы (Direct Input) – они соединены со входами ячеек напрямую, что уменьшает задержки.
У FPGA структура имеет вид:
L – логический конфигурируемый блок;
S (substitution block) – блок подстановок, он получает на ход определенное число бит, преобразует, по определенному алгоритму, а на выходе выдаёт другое число бит. Другими словами – дешифратор, шифратор и коммутатор.
C (connection block) – блок соединений.
Программирование
HDL (Hardware Description Language, рус. Язык описания аппаратуры) — так называется язык с помощью которого программируются ПЛИС. Популярными и универсальными являются Verilog HDL и VHDL. Существуют и другие языки, например, присущие конкретным производителям, как AHDL для изделий компании ALTERA.
Разработчикам, которые работают с ПЛИС доступно графическое программирование. То есть вы можете просто рисовать логические схемы или комбинировать код с графикой. Последнее называют модульным методом разработки, когда конкретные модули прописываются, а верхний модуль, в котором всё объединяется программируется графическим способом.
Подборка полезных статей про микроконтроллеры:
Примеры популярных производителей и серий ПЛИС
На момент написания статьи наиболее известными являются изделия двух производителей.