Downcodes のエディターを使用すると、FPGA プログラミング言語のあらゆる側面を理解できるようになります。 FPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) は再構成可能なハードウェアであり、プログラミング言語の選択は重要です。この記事では、FPGA プログラミングで一般的に使用される VHDL 言語と Verilog 言語を詳しく調べ、高位合成 (HLS) と、SystemVerilog、SystemC、Chisel などのその他のシステムレベル言語を紹介します。これらの言語の特徴を分析し、長所と短所を比較し、プロジェクトに最適なプログラミング言語を選択するお手伝いをします。さらに、この記事には、FPGA プログラミング プロセスで遭遇する疑問に答えるために、よくある質問への回答も含まれています。
FPGA (Field-Programmable Gate Array) で一般的に使用されるプログラミング言語は、VHDL (VHSIC Hardware description Language) と Verilog です。 どちらの言語もチップ設計で広く使用されており、設計者は物理ハードウェアのレイアウトを考慮することなく、非常に抽象的な方法でハードウェアの機能とロジックを記述することができます。 VHDL は 1980 年代初頭に米国国防総省のプロジェクトとして誕生しましたが、Verilog は同時期に Gateway Automation (後に Cadence に買収) によって開発されました。これらは従来のプログラミング言語ではなくハードウェア記述言語 (HDL) であり、アプリケーション ソフトウェアを開発するのではなくデジタル ロジックを記述するように設計されています。
VHDLやVerilogをベースに、SystemVerilog（拡張Verilog）やSystemC、そして最近注目を集めているChiselといった高級記述言語（高位合成、HLS）も登場しています。 HLS を使用すると、開発者は従来のソフトウェア設計に近い方法でハードウェアを記述できるため、論理設計の理解と実装が容易になります。
VHDL は、モジュール性と並列性の特性を備えた厳密に型指定された言語であり、複雑なハードウェア設計に特に役立ちます。 VHDL は、FPGA のプログラミングだけでなく、ASIC (特定用途向け集積回路) 設計にも使用されます。 VHDL は厳密な構文規則に従い、ハードウェアの動作と構造を表します。
VHDL 設計で最も一般的に使用される要素には、エンティティ、アーキテクチャ、プロセスが含まれます。 エンティティは外部と通信するインターフェイスであり、アーキテクチャはエンティティの内部動作とロジックを記述し、プロセスは信号間の関係を記述するために使用されます。
Verilog の構文は VHDL よりも C に似ているため、ソフトウェア開発の経験がある人にとっては簡単に始めることができるかもしれません。 Verilog は簡潔で学習しやすいように設計されており、モジュール設計をサポートしているため、コード ブロックを再利用でき、設計プロセスが高速化されます。
Verilog の中核要素には、モジュール、バス (Wire)、レジスタ (Reg) が含まれます。 モジュールは VHDL のエンティティのようなもので、コードの基本単位です。バスとレジスタは、モジュール内で信号を転送するための基本的なメディアです。
SystemVerilog と SystemC はどちらも、複雑なハードウェア設計プロセスを簡素化するために設計されたシステムレベルの記述言語です。これらは、オブジェクト指向プログラミング、同時実行制御構造、およびさまざまなレベルの抽象化の設計をサポートします。 Chisel - もう 1 つの新興プログラミング言語であり、Scala プログラミング言語に基づいており、ハードウェアの設計、検証、再利用を簡素化することを目的としています。
高位合成 (HLS) ツールは、C/C++ またはその他の高級言語で記述されたアルゴリズムを HDL コードに直接変換できます。この方法は、開発サイクルを大幅に短縮し、設計の可読性を向上させることができます。ラピッドプロトタイピングと検証。
FPGA プログラミング言語を選択する場合、設計の複雑さ、プロジェクト チームの慣れ、必要な設計効率、保守性など、いくつかの重要な要素を考慮する必要があります。 VHDL と Verilog は業界標準ですが、高級言語とツールの登場により、設計者はより柔軟な対応が可能になります。
FPGA を設計する場合、通常考慮する必要がある要素には、設計セキュリティ、パフォーマンス要件、リソース消費、デバッグおよび検証要件などが含まれます。さらに、異なる設計チームは背景や経験に基づいて特定の言語を好む場合があるため、言語を選択する際には、チームの精通度とプロジェクトのタイムラインを考慮する必要があります。
1. FPGA で一般的に使用されるプログラミング言語は何ですか?
FPGA で一般的に使用されるプログラミング言語には、Verilog と VHDL があります。 Verilog は、デジタル システムを記述するために使用されるハードウェア記述言語であり、ハードウェアのモデリングとシミュレーションに適しています。 VHDL は、FPGA の設計と検証にも使用できるもう 1 つのハードウェア記述言語です。どちらの言語も強力なハードウェア記述機能を備えており、FPGA 分野で広く使用されています。
2. Verilog と VHDL に加えて、他のプログラミング言語も FPGA で使用できますか?
Verilog や VHDL に加えて、FPGA は C や C++ などのいくつかの高級プログラミング言語も使用できます。これらの高級言語は、特定のコンパイラやツールチェーンを通じてFPGAに適した低水準ハードウェア記述言語に変換でき、FPGAのプログラミング制御を実現します。高級言語を使用すると、FPGA プログラミング プロセスが簡素化され、開発効率が向上します。
3. FPGA を使用するには、特定のプログラミング言語を学ぶ必要がありますか?
特定のプログラミング言語を学習すると、FPGA、特に Verilog と VHDL を操作するのに非常に役立ちます。これらの言語はFPGA分野の標準言語であり、これらをマスターすることでデジタル回路をより深く理解し、設計することができます。ただし、C や C++ などの他のプログラミング言語にすでに精通している場合は、対応するツール チェーンを通じて高級言語を FPGA が受け入れられるハードウェア記述言語に変換することもできます。したがって、特定のプログラミング言語を学習することは有益ですが、FPGA を使用するために絶対に必要というわけではありません。
Downcodes の編集者によるこの記事が、FPGA プログラミング言語の選択と使用法をより深く理解するのに役立つことを願っています。 プロジェクトのニーズに最適な言語を選択することが重要であることを忘れないでください。