O editor de Downcodes levará você a entender todos os aspectos da linguagem de programação FPGA! FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) são hardware reconfiguráveis e a escolha da linguagem de programação é crítica. Este artigo examinará em profundidade as linguagens VHDL e Verilog comumente usadas na programação FPGA e apresentará a síntese de alto nível (HLS) e outras linguagens de nível de sistema, como SystemVerilog, SystemC e Chisel. Analisaremos as características dessas linguagens, compararemos suas vantagens e desvantagens e ajudaremos você a escolher a melhor linguagem de programação para o seu projeto. Além disso, o artigo também contém respostas às perguntas mais frequentes, na esperança de esclarecer suas dúvidas encontradas no processo de programação de FPGA.
As linguagens de programação comumente usadas pelo FPGA (Field-Programmable Gate Array) são VHDL (VHSIC Hardware Description Language) e Verilog. Ambas as linguagens são amplamente utilizadas no design de chips e permitem que os designers descrevam a funcionalidade e a lógica do hardware de uma forma muito abstrata, sem ter que considerar o layout do hardware físico. O VHDL originou-se como um projeto do Departamento de Defesa dos EUA no início dos anos 1980, enquanto o Verilog foi desenvolvido pela Gateway Automation (posteriormente adquirida pela Cadence) na mesma época. São linguagens de descrição de hardware (HDL), não linguagens de programação tradicionais, e são projetadas para descrever lógica digital em vez de desenvolver software aplicativo.
Baseadas em VHDL e Verilog, também surgiram linguagens de descrição de alto nível (High-Level Synthesis, HLS), como SystemVerilog (Verilog aprimorado), SystemC e Chisel, que recentemente chamaram a atenção. O HLS permite que os desenvolvedores descrevam o hardware de uma forma mais próxima do design de software tradicional, tornando os projetos lógicos mais fáceis de entender e implementar.
VHDL é uma linguagem fortemente tipada que possui características de modularidade e paralelismo, tornando-a particularmente útil em projetos de hardware complexos. VHDL não é usado apenas para programação de FPGA, mas também para projeto de ASIC (Circuito Integrado Específico de Aplicação). VHDL segue regras de sintaxe rígidas e representa o comportamento e a estrutura do hardware.
No design VHDL, os elementos mais comumente usados incluem Entidade, Arquitetura e Processo. A entidade é a interface que se comunica com o mundo exterior, a arquitetura descreve o comportamento interno e a lógica da entidade e o processo é usado para descrever a relação entre os sinais.
A sintaxe do Verilog é mais semelhante à C do que à VHDL, por isso pode ser mais fácil para aqueles com experiência em desenvolvimento de software começarem. Verilog foi projetado para ser conciso e fácil de aprender. Ele suporta design modular, o que significa que os blocos de código podem ser reutilizados, acelerando o processo de design.
Os elementos principais do Verilog incluem módulos, barramentos (Wire) e registros (Reg). Os módulos são como entidades em VHDL e são as unidades básicas de código. Barramentos e registradores são os meios básicos para transferência de sinais dentro do módulo.
SystemVerilog e SystemC são linguagens de descrição em nível de sistema projetadas para simplificar o complexo processo de design de hardware. Eles suportam programação orientada a objetos, estruturas de controle de simultaneidade e design de vários níveis de abstração. Chisel — Outra linguagem de programação emergente, é baseada na linguagem de programação Scala e visa simplificar o projeto, verificação e reutilização de hardware.
As ferramentas de síntese de alto nível (HLS) podem converter diretamente algoritmos escritos em C/C++ ou outras linguagens de alto nível em códigos HDL. Este método pode reduzir significativamente o ciclo de desenvolvimento e melhorar a legibilidade do design. prototipagem rápida e verificação.
Ao escolher uma linguagem de programação FPGA, há vários fatores importantes a serem considerados: complexidade do projeto, familiaridade da equipe do projeto, eficiência necessária do projeto e facilidade de manutenção. Embora VHDL e Verilog sejam padrões da indústria, o surgimento de linguagens e ferramentas de alto nível fornece aos designers mais flexibilidade.
Ao projetar um FPGA, os fatores que geralmente precisam ser considerados incluem segurança do projeto, requisitos de desempenho, consumo de recursos, requisitos de depuração e verificação, etc. Além disso, a familiaridade da equipe e o cronograma do projeto devem ser levados em consideração na escolha de um idioma, pois diferentes equipes de design podem preferir um idioma específico com base em sua formação e experiência.
1. Quais são as linguagens de programação comumente usadas para FPGA?
As linguagens de programação comumente usadas para FPGA incluem Verilog e VHDL. Verilog é uma linguagem de descrição de hardware usada para descrever sistemas digitais e é adequada para modelagem e simulação de hardware. VHDL é outra linguagem de descrição de hardware que também pode ser usada para projeto e verificação de FPGAs. Ambas as linguagens possuem recursos poderosos de descrição de hardware e são amplamente utilizadas no campo FPGA.
2. Além de Verilog e VHDL, outras linguagens de programação podem ser utilizadas para FPGA?
Além de Verilog e VHDL, os FPGAs também podem usar algumas linguagens de programação de alto nível, como C e C++. Essas linguagens de alto nível podem ser convertidas em linguagens de descrição de hardware de baixo nível adequadas para FPGA por meio de compiladores ou cadeias de ferramentas específicas e realizar o controle de programação do FPGA. O uso de linguagens de alto nível pode simplificar o processo de programação de FPGA e melhorar a eficiência do desenvolvimento.
3. Preciso aprender uma linguagem de programação específica para usar um FPGA?
Aprender linguagens de programação específicas é muito útil para trabalhar com FPGAs, especialmente Verilog e VHDL. Essas linguagens são linguagens padrão no campo FPGA, e dominá-las pode compreender e projetar melhor circuitos digitais. No entanto, se você já estiver familiarizado com outras linguagens de programação, como C ou C++, também poderá converter a linguagem de alto nível em uma linguagem de descrição de hardware aceitável para o FPGA por meio da cadeia de ferramentas correspondente. Portanto, aprender uma linguagem de programação específica é benéfico, mas não é absolutamente necessário para o uso de FPGAs.
Espero que este artigo do editor de Downcodes possa ajudá-lo a entender melhor a seleção e uso de linguagens de programação FPGA. Lembre-se de que escolher o idioma que melhor atende às necessidades do seu projeto é fundamental!