Der Herausgeber von Downcodes wird Ihnen dabei helfen, alle Aspekte der FPGA-Programmiersprache zu verstehen! FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sind rekonfigurierbare Hardware und die Wahl der Programmiersprache ist entscheidend. In diesem Artikel werden die in der FPGA-Programmierung häufig verwendeten VHDL- und Verilog-Sprachen eingehend untersucht und die High-Level-Synthese (HLS) und andere Sprachen auf Systemebene wie SystemVerilog, SystemC und Chisel vorgestellt. Wir analysieren die Eigenschaften dieser Sprachen, vergleichen ihre Vor- und Nachteile und helfen Ihnen bei der Auswahl der besten Programmiersprache für Ihr Projekt. Darüber hinaus enthält der Artikel auch Antworten auf häufig gestellte Fragen und hofft, Ihre Zweifel im FPGA-Programmierungsprozess zu beantworten.
Die von FPGA (Field-Programmable Gate Array) häufig verwendeten Programmiersprachen sind VHDL (VHSIC Hardware Description Language) und Verilog. Beide Sprachen werden häufig im Chipdesign verwendet und ermöglichen es Designern, Hardwarefunktionalität und -logik auf sehr abstrakte Weise zu beschreiben, ohne das Layout der physischen Hardware berücksichtigen zu müssen. VHDL entstand als Projekt des US-Verteidigungsministeriums in den frühen 1980er Jahren, während Verilog etwa zur gleichen Zeit von Gateway Automation (später von Cadence übernommen) entwickelt wurde. Dabei handelt es sich um Hardwarebeschreibungssprachen (HDL), nicht um herkömmliche Programmiersprachen, und sie dienen der Beschreibung digitaler Logik und nicht der Entwicklung von Anwendungssoftware.
Basierend auf VHDL und Verilog sind auch Hochebenenbeschreibungssprachen (High-Level Synthesis, HLS) erschienen, wie SystemVerilog (erweitertes Verilog), SystemC und Chisel, die kürzlich Aufmerksamkeit erregt haben. HLS ermöglicht es Entwicklern, Hardware auf eine Art und Weise zu beschreiben, die dem traditionellen Software-Design näher kommt, wodurch logische Designs einfacher zu verstehen und zu implementieren sind.
VHDL ist eine stark typisierte Sprache mit den Merkmalen Modularität und Parallelität, was sie besonders nützlich für komplexe Hardware-Designs macht. VHDL wird nicht nur für die Programmierung von FPGAs verwendet, sondern auch für das ASIC-Design (Application-Specific Integrated Circuit). VHDL folgt strengen Syntaxregeln und bildet das Verhalten und die Struktur von Hardware ab.
Zu den am häufigsten verwendeten Elementen im VHDL-Design gehören Entität, Architektur und Prozess. Die Entität ist die Schnittstelle, die mit der Außenwelt kommuniziert, die Architektur beschreibt das interne Verhalten und die Logik der Entität und der Prozess wird verwendet, um die Beziehung zwischen Signalen zu beschreiben.
Die Syntax von Verilog ähnelt eher der von C als von VHDL, sodass der Einstieg für diejenigen mit Erfahrung in der Softwareentwicklung möglicherweise einfacher ist. Verilog ist prägnant und leicht zu erlernen. Es unterstützt ein modulares Design, was bedeutet, dass Codeblöcke wiederverwendet werden können, was den Designprozess beschleunigt.
Zu den Kernelementen von Verilog gehören Module, Busse (Wire) und Register (Reg). Module ähneln Entitäten in VHDL und sind die Grundeinheiten des Codes. Busse und Register sind die grundlegenden Medien zur Übertragung von Signalen innerhalb des Moduls.
SystemVerilog und SystemC sind beide Beschreibungssprachen auf Systemebene, die den komplexen Hardware-Designprozess vereinfachen sollen. Sie unterstützen objektorientierte Programmierung, Parallelitätskontrollstrukturen und den Entwurf vieler Abstraktionsebenen. Chisel – Eine weitere aufstrebende Programmiersprache, die auf der Programmiersprache Scala basiert und darauf abzielt, Hardware-Design, -Verifizierung und -Wiederverwendung zu vereinfachen.
High-Level-Synthese-Tools (HLS) können in C/C++ oder anderen Hochsprachen geschriebene Algorithmen direkt in HDL-Code konvertieren. Diese Methode kann den Entwicklungszyklus erheblich verkürzen und die Lesbarkeit des Designs verbessern Rapid Prototyping und Überprüfung.
Bei der Auswahl einer FPGA-Programmiersprache sind mehrere Schlüsselfaktoren zu berücksichtigen: Designkomplexität, Vertrautheit des Projektteams, erforderliche Designeffizienz und Wartbarkeit. Obwohl VHDL und Verilog Industriestandards sind, bietet das Aufkommen von Hochsprachen und Tools den Designern mehr Flexibilität.
Beim Entwurf eines FPGA müssen in der Regel Faktoren wie Designsicherheit, Leistungsanforderungen, Ressourcenverbrauch, Debugging- und Verifizierungsanforderungen usw. berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollten bei der Auswahl einer Sprache die Vertrautheit des Teams und der Zeitplan des Projekts berücksichtigt werden, da verschiedene Designteams aufgrund ihres Hintergrunds und ihrer Erfahrung möglicherweise eine bestimmte Sprache bevorzugen.
1. Welche sind die am häufigsten verwendeten Programmiersprachen für FPGA?
Zu den häufig verwendeten Programmiersprachen für FPGA gehören Verilog und VHDL. Verilog ist eine Hardwarebeschreibungssprache zur Beschreibung digitaler Systeme und eignet sich zur Modellierung und Simulation von Hardware. VHDL ist eine weitere Hardwarebeschreibungssprache, die auch für den Entwurf und die Verifizierung von FPGAs verwendet werden kann. Beide Sprachen verfügen über leistungsstarke Hardwarebeschreibungsfunktionen und werden im FPGA-Bereich häufig verwendet.
2. Können neben Verilog und VHDL auch andere Programmiersprachen für FPGA verwendet werden?
Neben Verilog und VHDL können FPGAs auch einige höhere Programmiersprachen wie C und C++ verwenden. Diese Hochsprachen können über bestimmte Compiler oder Toolketten in für FPGA geeignete Hardwarebeschreibungssprachen auf niedriger Ebene konvertiert werden und realisieren die Programmiersteuerung von FPGA. Die Verwendung von Hochsprachen kann den FPGA-Programmierungsprozess vereinfachen und die Entwicklungseffizienz verbessern.
3. Muss ich eine bestimmte Programmiersprache lernen, um ein FPGA verwenden zu können?
Das Erlernen spezifischer Programmiersprachen ist für die Arbeit mit FPGAs, insbesondere Verilog und VHDL, sehr hilfreich. Diese Sprachen sind Standardsprachen im FPGA-Bereich. Durch deren Beherrschung können digitale Schaltkreise besser verstanden und entworfen werden. Wenn Sie jedoch bereits mit anderen Programmiersprachen wie C oder C++ vertraut sind, können Sie die Hochsprache auch über die entsprechende Toolkette in eine für den FPGA akzeptable Hardwarebeschreibungssprache umwandeln. Daher ist das Erlernen einer bestimmten Programmiersprache für den Einsatz von FPGAs von Vorteil, aber nicht zwingend erforderlich.
Ich hoffe, dass dieser Artikel des Herausgebers von Downcodes Ihnen helfen kann, die Auswahl und Verwendung von FPGA-Programmiersprachen besser zu verstehen. Denken Sie daran, dass die Wahl der Sprache, die Ihren Projektanforderungen am besten entspricht, von entscheidender Bedeutung ist!