آشنایی با FPGAها

مقدمه‌

Field Programmable Gate Array به معنای آرایه دروازه‌های قابل برنامه‌ریزی میدانی است. به زبان ساده، یک تراشه الکترونیکی است که می‌توانیم عملکرد داخلی آن را پس از تولید تغییر دهیم. این ویژگی باعث شده تا FPGAها به ابزاری بسیار قدرتمند در طراحی مدارهای دیجیتال تبدیل شوند. برخلاف میکروکنترلرها که برنامه‌هایشان در حافظه ذخیره می‌شود، به ما اجازه می‌دهند تا خود مدار را پیکربندی کنیم و عملکردهای مختلفی را پیاده‌سازی کنیم. به عنوان مثال تصویر زیر یک مدار ساده از این تراشه می‌باشد.

تاریخچه و تکامل فناوری

تاریخچه این فناوری به دهه ۱۹۸۰ برمی‌گردد. در آن زمان، مهندسان برای پیاده‌سازی مدارهای دیجیتال از آی‌سی‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLD) استفاده می‌کردند. اما  PLDها محدودیت‌های زیادی داشتند و برای طراحی‌های پیچیده مناسب نبودند. در اواسط دهه ۱۹۸۰، به عنوان جایگزینی برای PLDها معرفی شدند.  FPGAها با داشتن ساختار مدولار و قابلیت برنامه‌ریزی مجدد، انعطاف‌پذیری بسیار بیشتری نسبت به PLDها ارائه می‌دادند.با پیشرفت فناوری، FPGAها به سرعت توسعه یافتند و در حال حاضر در بسیاری از صنایع از جمله ارتباطات، پردازش سیگنال، هوش مصنوعی و خودرو استفاده می‌شوند. شرکت‌های بزرگی مانند Xilinx و Intel (Altera) تولیدکنندگان اصلی این محصول در جهان هستند.

اهمیت در الکترونیک مدرن

FPGAها به دلایل زیر اهمیت زیادی در الکترونیک مدرن دارند:

• انعطاف‌پذیری بالا:  به شما اجازه می‌دهند تا طرح‌های خود را به سرعت و به راحتی تغییر دهید.
• سرعت بالا: قادر به انجام محاسبات پیچیده با سرعت بسیار بالا هستند.
• مصرف انرژی پایین: بسیار کم مصرف هستند.
• توسعه سریع پروتوتایپ: با استفاده از آن‌ها می‌توانید به سرعت نمونه اولیه از طرح‌های خود بسازید و آن‌ها را آزمایش کنید.
• کاربرد در صنایع مختلف: در طیف وسیعی از صنایع از جمله ارتباطات، پردازش سیگنال، هوش مصنوعی، خودرو و هوافضا استفاده می‌شوند.

نحوه کار FPGA

معماری و اجزای اصلی

FPGAها از میلیون‌ها سلول منطقی کوچک تشکیل شده‌اند که به صورت یک آرایه دوبعدی مرتب شده‌اند. هر سلول منطقی به عنوان یک بلوک ساختمانی کوچک عمل می‌کند و می‌تواند برای پیاده‌سازی توابع منطقی ساده یا پیچیده استفاده شود. علاوه بر سلول‌های منطقی، شامل اجزای دیگری مانند:

• بلوک‌های حافظه: برای ذخیره داده‌ها و برنامه‌های کوچک
• بلوک‌های ضرب‌کننده: برای انجام عملیات ضرب
• بلوک‌های ورودی/خروجی: برای برقراری ارتباط با دنیای خارج
• بلوک‌های مسیردهی: برای اتصال سلول‌های منطقی و بلوک‌های دیگر به یکدیگر

شما می‌توانبد برای تهیه برد آموزشی پردازنده FPGA به فروشگاه نیراشاپ مراجعه نمایید.

ساختار منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLF)

ساختار منطقی قابل برنامه‌ریزی (PLF) قلب یک FPGA است. PLF از یک شبکه‌ای از سلول‌های منطقی تشکیل شده است که توسط مسیرهای ارتباطی به هم متصل شده‌اند. این ساختار به ما اجازه می‌دهد تا مدارهای منطقی دلخواه را با پیکربندی مجدد اتصالات بین سلول‌ها ایجاد کنیم.

هر سلول منطقی می‌تواند به عنوان یک دروازه منطقی ساده (مانند AND، OR، NOT) یا یک مدار ترکیبی پیچیده‌تر عمل کند. با ترکیب چندین سلول منطقی و استفاده از مسیرهای ارتباطی، می‌توانیم مدارهای ترتیبی مانند فلیپ فلاپ‌ها و شمارنده‌ها را نیز پیاده‌سازی کنیم.

فرآیند پیکربندی

فرآیند پیکربندی شامل نوشتن یک برنامه (معمولاً به زبان VHDL یا Verilog) برای توصیف مدار مورد نظر و سپس بارگذاری این برنامه به FPGA است. این برنامه حاوی اطلاعاتی در مورد نحوه اتصال سلول‌های منطقی و بلوک‌های دیگر به یکدیگر است.

هنگامی که برنامه بارگذاری می‌شود، یک مدار داخلی به نام پیکربندی کننده، اتصالات بین سلول‌های منطقی را بر اساس اطلاعات موجود در برنامه تنظیم می‌کند. به این ترتیب، تراشه ما به صورت دینامیکی پیکربندی شده و عملکرد مورد نظر را اجرا می‌کند.

مزایای استفاده از  FPGA:

• انعطاف‌پذیری بالا: امکان تغییر عملکرد پس از تولید
• سرعت بالا: قابلیت انجام محاسبات پیچیده با سرعت بالا
• مصرف انرژی پایین: طراحی بهینه برای کاهش مصرف انرژی
• توسعه سریع پروتوتایپ: کاهش زمان توسعه محصول
• کاربرد در صنایع مختلف: از ارتباطات تا هوش مصنوعی

کاربردهای  FPGA

این تراشه‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری و سرعت بالا، در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در زیر به برخی از مهم‌ترین کاربردهای FPGA اشاره شده است:

سیستم‌های تعبیه شده

• کنترل موتور: در خودروها، پهپادها و سایر سیستم‌های کنترل حرکت، برای کنترل دقیق موتورها و درایورها استفاده می‌شوند.
• رابط‌های ارتباطی: برای پیاده‌سازی پروتکل‌های ارتباطی مختلف مانند  Ethernet، USB و SPI استفاده می‌شوند.
• پردازنده‌های سفارشی: می‌توانند برای پیاده‌سازی پردازنده‌های سفارشی با معماری خاص به منظور انجام وظایف خاص بهینه شوند.

پردازش سیگنال

• رادیوهای نرم‌افزاری: در پیاده‌سازی رادیوهای نرم‌افزاری که قابلیت تنظیم پهنای باند و استانداردهای مختلف را دارند، بسیار کاربرد دارند.
• پردازش تصویر: برای پردازش تصاویر با سرعت بالا، مانند فشرده‌سازی تصویر، تشخیص لبه و فیلتر کردن تصاویر استفاده می‌شوند.
• رادار: در سیستم‌های رادار برای پردازش سیگنال‌های رادار و تشخیص اهداف استفاده می‌شوند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین

• شبکه‌های عصبی: برای پیاده‌سازی شبکه‌های عصبی مصنوعی با کارایی بالا استفاده می‌شوند.
• پردازش زبان طبیعی: برای پردازش زبان طبیعی و تحلیل متن استفاده می‌شوند.
• بینایی ماشین: برای پردازش تصاویر ویدئویی و تشخیص اشیاء استفاده می‌شوند.

محاسبات با کارایی بالا

• شتاب‌دهنده‌های محاسباتی: می‌توانند به عنوان شتاب‌دهنده برای پردازنده‌های مرکزی در انجام محاسبات پیچیده استفاده شوند.
• شبیه‌سازی سیستم‌ها: برای شبیه‌سازی سیستم‌های پیچیده مانند مدارهای مجتمع و شبکه‌های ارتباطی استفاده می‌شوند.
• رمزنگاری:  FPGAها برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های رمزنگاری با سرعت بالا استفاده می‌شوند.

شروع کار با FPGA

انتخاب برد توسعه FPGA مناسب

اولین قدم برای شروع کار، انتخاب یک برد توسعه مناسب است. بردهای توسعه FPGA پلتفرم‌هایی هستند که شامل یک تراشه FPGA، اجزای جانبی مانند حافظه، رابط‌های ارتباطی و همچنین رابط‌های برنامه‌نویسی هستند. هنگام انتخاب برد توسعه، به موارد زیر توجه کنید:

• تراشه FPGA: نوع تراشه بر اساس پیچیدگی پروژه شما تعیین می‌شود. تراشه‌های FPGA با تعداد سلول‌های منطقی و بلوک‌های حافظه متفاوت وجود دارند.
• اجزای جانبی: وجود اجزای جانبی مانند حافظه، رابط‌های ارتباطی و نمایشگر می‌تواند به شما کمک کند تا سریع‌تر به نتایج دلخواه خود برسید.
• نرم‌افزار طراحی: بررسی کنید که آیا نرم‌افزار طراحی مورد نظر شما از برد توسعه انتخابی پشتیبانی می‌کند یا خیر.
• قیمت: قیمت بردهای توسعه FPGA می‌تواند بسیار متفاوت باشد. بودجه خود را در نظر بگیرید و بردی را انتخاب کنید که با نیازهای شما مطابقت داشته باشد.

برخی از بردهای توسعه محبوب عبارتند از:

• بردهای سری Spartan و Kintex از شرکت Xilinx: این بردها برای پروژه‌های آموزشی و کاربردهای عمومی بسیار مناسب هستند.
• بردهای سری Cyclone از شرکت Intel (Altera): این بردها برای پروژه‌های با حجم کاری بالا و نیاز به عملکرد بالا مناسب هستند.
• بردهای توسعه لایه باز: این بردها به شما اجازه می‌دهند تا به کدهای منبع دسترسی داشته باشید و آن‌ها را سفارشی کنید.

یادگیری زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA (VHDL، Verilog)

برای برنامه‌نویسی FPGA، شما به یکی از زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL) نیاز دارید. دو زبان اصلی HDL عبارتند از VHDL  و Verilog. این زبان‌ها برای توصیف مدارهای دیجیتال به صورت متنی استفاده می‌شوند. انتخاب زبان به ترجیح شخصی شما و استانداردهای مورد استفاده در پروژه شما بستگی دارد.

مهمترین تفاوت‌های بین VHDL و Verilog:

• سینتکس: ساختار دستورات و کلیدواژه‌ها در این دو زبان متفاوت است.
• سطح انتزاع: VHDL سطح انتزاع بالاتری نسبت به Verilog دارد.
• محبوبیت: هر دو زبان محبوب هستند، اما VHDL در صنایع نظامی و هوافضا بیشتر استفاده می‌شود.

برای یادگیری این زبان‌ها، می‌توانید از منابع زیر استفاده کنید:

• کتاب‌ها و دوره‌های آموزشی آنلاین: بسیاری از کتاب‌ها و دوره‌های آموزشی آنلاین برای یادگیری VHDL و Verilog  وجود دارد.
• مستندات نرم‌افزار طراحی: نرم‌افزارهای طراحی FPGA مانند Vivado (Xilinx) و Quartus Prime (Intel) مستندات کاملی برای زبان‌های HDL ارائه می‌دهند.
• پروژه‌های عملی: با انجام پروژه‌های عملی، می‌توانید مهارت‌های خود را در برنامه‌نویسی این تراشه بهبود بخشید.

توسعه و تست طراحی‌های  FPGA

پس از نوشتن کد VHDL یا Verilog، مراحل زیر برای توسعه و تست طراحی FPGA انجام می‌شود:

1. شبیه‌سازی: قبل از بارگذاری کد روی FPGA، آن را در محیط شبیه‌سازی اجرا کنید تا از صحت عملکرد آن اطمینان حاصل کنید.
2. سنتز: در این مرحله، کد VHDL یا Verilog به یک توصیف سخت‌افزاری سطح پایین‌تر تبدیل می‌شود که برای تراشه قابل درک است.
3. مسیریابی: در این مرحله، اتصالات بین سلول‌های منطقی FPGA تعیین می‌شود.
4. تولید فایل پیکربندی: در نهایت، یک فایل پیکربندی تولید می‌شود که حاوی اطلاعاتی در مورد نحوه پیکربندی FPGA است.
5. بارگذاری فایل پیکربندی: فایل پیکربندی به FPGA بارگذاری می‌شود و تراشه شروع به اجرای طراحی شما می‌کند.

نرم‌افزارهای طراحی FPGA:

• Vivado (Xilinx): نرم‌افزار قدرتمندی برای طراحی FPGA است که شامل تمام ابزارهای مورد نیاز برای توسعه، شبیه‌سازی و سنتز است.
• Quartus Prime (Intel): نرم‌افزار دیگری برای طراحی FPGA است که توسط شرکت Intel توسعه یافته است.

 نتیجه گیری

در این مقاله، با مفاهیم اولیه FPGA، نحوه کار آن و کاربردهای گسترده آن آشنا شدیم.  FPGAها به عنوان تراشه‌های الکترونیکی قابل برنامه‌ریزی، انعطاف‌پذیری و سرعت بالایی را برای پیاده‌سازی مدارهای دیجیتال ارائه می‌دهند. برای آشنایی بیشتر با سیستم‌های نهفته می‌توانید به نیرابلاگ مراجعه نمایید.

امیدوارم این راهنما جامع و مفید باشد!