سيأخذك محرر Downcodes إلى فهم جميع جوانب لغة برمجة FPGA! FPGAs (مصفوفات البوابات القابلة للبرمجة الميدانية) عبارة عن أجهزة قابلة لإعادة التكوين واختيار لغة البرمجة أمر بالغ الأهمية. ستلقي هذه المقالة نظرة متعمقة على لغات VHDL وVerilog المستخدمة بشكل شائع في برمجة FPGA، وستقدم تركيبًا عالي المستوى (HLS) ولغات أخرى على مستوى النظام مثل SystemVerilog وSystemC وChisel. سنقوم بتحليل خصائص هذه اللغات ومقارنة مميزاتها وعيوبها ومساعدتك في اختيار لغة البرمجة الأفضل لمشروعك. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي المقالة أيضًا على إجابات للأسئلة الشائعة، على أمل الإجابة على شكوكك التي واجهتها في عملية برمجة FPGA.
لغات البرمجة التي تستخدمها FPGA (مصفوفة البوابة القابلة للبرمجة الميدانية) هي VHDL (لغة وصف أجهزة VHSIC) وVerilog. تُستخدم كلتا اللغتين على نطاق واسع في تصميم الشرائح، وتسمحان للمصممين بوصف وظائف الأجهزة ومنطقها بطريقة مجردة للغاية دون الحاجة إلى التفكير في تخطيط الأجهزة المادية. نشأ VHDL كمشروع تابع لوزارة الدفاع الأمريكية في أوائل الثمانينيات، بينما تم تطوير Verilog بواسطة Gateway Automation (التي استحوذت عليها شركة Cadence لاحقًا) في نفس الوقت تقريبًا. وهي لغات وصف الأجهزة (HDL)، وليست لغات البرمجة التقليدية، وهي مصممة لوصف المنطق الرقمي بدلاً من تطوير البرامج التطبيقية.
استنادًا إلى VHDL وVerilog، ظهرت أيضًا لغات الوصف عالية المستوى (High-Level Synthesis, HLS)، مثل SystemVerilog (Verilog المحسّن)، وSystemC، وChisel، والتي جذبت الانتباه مؤخرًا. يسمح HLS للمطورين بوصف الأجهزة بطريقة أقرب إلى تصميم البرامج التقليدية، مما يجعل التصميمات المنطقية أسهل في الفهم والتنفيذ.
VHDL هي لغة مكتوبة بقوة وتتميز بخصائص النمطية والتوازي، مما يجعلها مفيدة بشكل خاص في تصميم الأجهزة المعقدة. لا يتم استخدام VHDL فقط لبرمجة FPGA، ولكن أيضًا لتصميم ASIC (الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات). يتبع VHDL قواعد بناء الجملة الصارمة ويمثل سلوك الأجهزة وبنيتها.
في تصميم VHDL، تشمل العناصر الأكثر استخدامًا الكيان والهندسة المعمارية والعملية. الكيان هو الواجهة التي تتواصل مع العالم الخارجي، وتصف البنية السلوك الداخلي والمنطق للكيان، وتستخدم العملية لوصف العلاقة بين الإشارات.
يشبه بناء جملة Verilog لغة C أكثر من لغة VHDL، لذلك قد يكون من الأسهل على أولئك الذين لديهم خلفية في تطوير البرامج البدء. تم تصميم Verilog ليكون موجزًا وسهل التعلم، وهو يدعم التصميم المعياري، مما يعني أنه يمكن إعادة استخدام كتل التعليمات البرمجية، مما يؤدي إلى تسريع عملية التصميم.
تتضمن العناصر الأساسية لـ Verilog الوحدات والحافلات (Wire) والسجلات (Reg). تشبه الوحدات الكيانات في VHDL وهي الوحدات الأساسية للتعليمات البرمجية. الناقلات والسجلات هي الوسائط الأساسية لنقل الإشارات داخل الوحدة.
تعد كل من SystemVerilog وSystemC لغات وصف على مستوى النظام مصممة لتبسيط عملية تصميم الأجهزة المعقدة. وهي تدعم البرمجة الموجهة للكائنات، وهياكل التحكم في التزامن، وتصميم العديد من مستويات التجريد. إزميل—لغة برمجة ناشئة أخرى، تعتمد على لغة برمجة Scala وتهدف إلى تبسيط تصميم الأجهزة والتحقق منها وإعادة استخدامها.
يمكن لأدوات التوليف عالية المستوى (HLS) تحويل الخوارزميات المكتوبة بلغة C / C ++ أو غيرها من اللغات عالية المستوى مباشرة إلى رموز HDL. يمكن لهذه الطريقة تقليل دورة التطوير بشكل كبير وتحسين إمكانية قراءة التصميم. وهي مناسبة للتصميم الأولي النماذج الأولية السريعة والتحقق.
عند اختيار لغة برمجة FPGA، هناك العديد من العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها: تعقيد التصميم، ومعرفة فريق المشروع، وكفاءة التصميم المطلوبة، وقابلية الصيانة. على الرغم من أن VHDL وVerilog هما معياران صناعيان، إلا أن ظهور لغات وأدوات عالية المستوى يوفر للمصممين مرونة أكبر.
عند تصميم FPGA، تشمل العوامل التي تحتاج عادةً إلى أخذها في الاعتبار أمان التصميم، ومتطلبات الأداء، واستهلاك الموارد، ومتطلبات التصحيح والتحقق، وما إلى ذلك. علاوة على ذلك، يجب أن تؤخذ في الاعتبار معرفة الفريق والجدول الزمني للمشروع عند اختيار اللغة، حيث قد تفضل فرق التصميم المختلفة لغة معينة بناءً على خلفيتهم وخبراتهم.
1. ما هي لغات البرمجة الشائعة الاستخدام لـ FPGA؟
لغات البرمجة شائعة الاستخدام لـ FPGA تشمل Verilog وVHDL. Verilog هي لغة وصف الأجهزة المستخدمة لوصف الأنظمة الرقمية وهي مناسبة لنمذجة ومحاكاة الأجهزة. VHDL هي لغة أخرى لوصف الأجهزة والتي يمكن استخدامها أيضًا لتصميم FPGAs والتحقق منها. تتمتع كلتا اللغتين بقدرات قوية في وصف الأجهزة وتستخدمان على نطاق واسع في مجال FPGA.
2. بالإضافة إلى Verilog وVHDL، هل يمكن استخدام لغات برمجة أخرى لـ FPGA؟
بالإضافة إلى Verilog وVHDL، يمكن لـ FPGAs أيضًا استخدام بعض لغات البرمجة عالية المستوى مثل C وC++. يمكن تحويل هذه اللغات عالية المستوى إلى لغات وصف الأجهزة منخفضة المستوى المناسبة لـ FPGA من خلال مترجمين محددين أو سلاسل أدوات، وتحقيق التحكم في برمجة FPGA. يمكن أن يؤدي استخدام اللغات عالية المستوى إلى تبسيط عملية برمجة FPGA وتحسين كفاءة التطوير.
3. هل أحتاج إلى تعلم لغة برمجة معينة لاستخدام FPGA؟
يعد تعلم لغات برمجة معينة مفيدًا جدًا للعمل مع FPGAs، وخاصة Verilog وVHDL. هذه اللغات هي لغات قياسية في مجال FPGA، وإتقانها يمكن من فهم وتصميم الدوائر الرقمية بشكل أفضل. ومع ذلك، إذا كنت معتادًا بالفعل على لغات البرمجة الأخرى، مثل C أو C++، فيمكنك أيضًا تحويل اللغة عالية المستوى إلى لغة وصف الأجهزة المقبولة لدى FPGA من خلال سلسلة الأدوات المقابلة. ولذلك، فإن تعلم لغة برمجة معينة يعد مفيدًا ولكنه ليس ضروريًا تمامًا لاستخدام FPGAs.
آمل أن تساعدك هذه المقالة التي كتبها محرر Downcodes على فهم اختيار واستخدام لغات برمجة FPGA بشكل أفضل. تذكر أن اختيار اللغة التي تناسب احتياجات مشروعك هو المفتاح!