Что такое разработка ПЛИС?

Что такое разработка ПЛИС?

Разработка ПЛИС — это индивидуальная разработка ПЛИС для разработки ИС с желаемой функциональностью.

FPGA означает «Field Programmable Gate Array» и представляет собой интегральную схему, функции которой можно программировать на месте. Разработка ПЛИС состоит из большого массива схем, таких как арифметические устройства, память, регистры и простые логические схемы.

Без каких-либо изменений это не более чем массив схем без функциональности, но путем объединения схем внутри и проектирования логических схем разработчик может свободно предоставлять желаемую функциональность.

Подобно ПЛИС, существуют ASIC (интегральные схемы специального назначения), которые можно настраивать в соответствии с пожеланиями пользователя. Однако эти ИС производятся после разработки пользовательских функций. Помимо трудоемкого процесса проектирования и разработки, функции нельзя свободно изменять в полевых условиях после изготовления продукта.

Применение разработки ПЛИС

Разработка FPGA необходима для разработки электронных устройств и плат, включая ИС. Разработка FPGA используется при разработке электронных устройств для телекоммуникаций, автомобилестроения, медицинских устройств, бытовой электроники и всех других областей.

Разработка FPGA выигрывает от возможности программировать необходимые функции в FPGA, фактически размещать их в электронных устройствах для проверки на реальных устройствах и предоставлять обратную связь по результатам.

Другим недостатком является более высокая стоимость производства по сравнению с ASIC. Наблюдалась тенденция использовать FPGA на этапе разработки FPGA и помещать ASIC в конечный продукт после завершения разработки. Однако в последнее время усовершенствования в технологии производства полупроводников привели к более высокой интеграции и более низкой стоимости FPGA, и все больше и больше FPGA используются в конечных продуктах.

Принципы разработки FPGA

Поток разработки ПЛИС в основном такой же, как и при разработке других ИС, таких как ASIC, за исключением того, что при разработке ASIC производственный отдел отвечает за процесс создания прототипа, тогда как при разработке ПЛИС разработчик ПЛИС также отвечает за процесс внедрения программы на реальный чип, что эквивалентно прототипу ASIC.

Поток разработки ПЛИС включает следующие процессы:

1. Определение спецификаций

«Спецификации», такие как функции, которые должны быть реализованы в ПЛИС, интерфейсы с другими компонентами в системе, в которую будет встроена ПЛИС, временные ограничения и т. д., компилируются, а ПЛИС, соответствующая спецификациям, обрезается.

2. Проектирование логической схемы

Логические операции описываются с использованием языков описания оборудования, таких как VHDL и Verilog-HDL.

3. Функциональная проверка

Функциональное моделирование выполняется для проверки правильности поведения логической схемы.

4. Компиляция

Из описания HDL генерируются логические выражения, состоящие из вентилей на ПЛИС, и логические выражения дополнительно оптимизируются для генерации списка соединений. Затем каждая схема размещается на фактической ПЛИС и определяется проводка между схемами. Эта серия процессов называется компиляцией.

5. Проверка синхронизации

На основе информации о размещении и маршрутизации моделируется физическое время задержки для подтверждения того, что временные ограничения выполнены.

6. Загрузка

Сгенерированные данные схемы загружаются в FPGA. В ходе этого процесса FPGA, которая была просто массивом вентилей, преобразуется в схему, требуемую разработкой FPGA.

7. Проверка работы FPGA

FPGA эксплуатируются для проверки отсутствия функциональных дефектов или недостатков производительности. Существует два типа проверки работы: один заключается в установке FPGA на оценочной плате и запуске оценочной симуляции, а другой — в фактическом монтаже FPGA в системе и ее эксплуатации. Фактическая проверка устройства подходит для FPGA с большими размерами вентилей из-за короткого требуемого времени проверки.

Другая информация о разработке FPGA

1. Язык программирования для разработки FPGA

HDL, который используется для написания кода FPGA, является низкоуровневым языком, поэтому раньше было сложно писать код для FPGA, если вы не инженер-аппаратчик, который может проектировать схемы. Теперь, с использованием интегрированных программных платформ, разработка FPGA может выполняться на другом языке программирования без знания HDL.

Платформа переводит высокоуровневые языки в низкоуровневые языки для включения функциональности FPGA; также возможно ускорить FPGA с помощью предварительно обученных моделей глубокого обучения, созданных с помощью фреймворков Tensorflow и Pytorch.

2. Аппаратная эффективность

В таких устройствах, как ASIC, переход между программами и памятью — это метод, который использует мощность для хранения и извлечения данных и снижает производительность в реальном времени; В FPGA нет необходимости переключаться между программами и памятью, и возможно эффективное хранение и извлечение данных. FPGA также могут разгружать энергоемкие задачи.