เครื่องมือแก้ไข Downcodes จะพาคุณไปเข้าใจทุกแง่มุมของภาษาโปรแกรม FPGA! FPGA (Field Programmable Gate Arrays) เป็นฮาร์ดแวร์ที่กำหนดค่าใหม่ได้ และการเลือกใช้ภาษาการเขียนโปรแกรมถือเป็นสิ่งสำคัญ บทความนี้จะเจาะลึกเกี่ยวกับภาษา VHDL และ Verilog ที่ใช้กันทั่วไปในการเขียนโปรแกรม FPGA และแนะนำการสังเคราะห์ระดับสูง (HLS) และภาษาระดับระบบอื่นๆ เช่น SystemVerilog, SystemC และ Chisel เราจะวิเคราะห์คุณลักษณะของภาษาเหล่านี้ เปรียบเทียบข้อดีและข้อเสีย และช่วยคุณเลือกภาษาการเขียนโปรแกรมที่ดีที่สุดสำหรับโครงการของคุณ นอกจากนี้ บทความนี้ยังมีคำตอบสำหรับคำถามที่พบบ่อย โดยหวังว่าจะตอบข้อสงสัยที่คุณพบในกระบวนการเขียนโปรแกรม FPGA
ภาษาการเขียนโปรแกรมที่ FPGA (Field-Programmable Gate Array) ใช้กันทั่วไปคือ VHDL (VHSIC Hardware Description Language) และ Verilog ทั้งสองภาษาใช้กันอย่างแพร่หลายในการออกแบบชิป และช่วยให้นักออกแบบสามารถอธิบายฟังก์ชันและตรรกะของฮาร์ดแวร์ในลักษณะที่เป็นนามธรรมโดยไม่ต้องพิจารณาเค้าโครงของฮาร์ดแวร์ทางกายภาพ VHDL มีต้นกำเนิดเป็นโครงการกระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกาในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ในขณะที่ Verilog ได้รับการพัฒนาโดย Gateway Automation (ภายหลังได้รับจาก Cadence) ในช่วงเวลาเดียวกัน ภาษาเหล่านี้เป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ (HDL) ไม่ใช่ภาษาการเขียนโปรแกรมแบบดั้งเดิม และได้รับการออกแบบมาเพื่ออธิบายตรรกะดิจิทัลมากกว่าการพัฒนาซอฟต์แวร์แอปพลิเคชัน
จาก VHDL และ Verilog ภาษาคำอธิบายระดับสูง (การสังเคราะห์ระดับสูง, HLS) ก็ปรากฏขึ้นเช่น SystemVerilog (Verilog ที่ปรับปรุงแล้ว), SystemC และ Chisel ซึ่งเพิ่งดึงดูดความสนใจ HLS ช่วยให้นักพัฒนาสามารถอธิบายฮาร์ดแวร์ในลักษณะที่ใกล้เคียงกับการออกแบบซอฟต์แวร์แบบดั้งเดิม ทำให้การออกแบบเชิงตรรกะเข้าใจและนำไปใช้ได้ง่ายขึ้น
VHDL เป็นภาษาที่พิมพ์ได้ชัดเจนซึ่งมีลักษณะของโมดูลาร์และความขนาน ทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการออกแบบฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน VHDL ไม่เพียงแต่ใช้สำหรับการเขียนโปรแกรม FPGA เท่านั้น แต่ยังสำหรับการออกแบบ ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) อีกด้วย VHDL ปฏิบัติตามกฎไวยากรณ์ที่เข้มงวดและแสดงถึงลักษณะการทำงานและโครงสร้างของฮาร์ดแวร์
ในการออกแบบ VHDL องค์ประกอบที่ใช้บ่อยที่สุด ได้แก่ เอนทิตี สถาปัตยกรรม และกระบวนการ เอนทิตีคืออินเทอร์เฟซที่สื่อสารกับโลกภายนอก สถาปัตยกรรมอธิบายพฤติกรรมภายในและตรรกะของเอนทิตี และกระบวนการนี้ใช้เพื่ออธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณ
ไวยากรณ์ของ Verilog มีความคล้ายคลึงกับ C มากกว่า VHDL ดังนั้นจึงอาจง่ายกว่าสำหรับผู้ที่มีพื้นฐานการพัฒนาซอฟต์แวร์ในการเริ่มต้น Verilog ได้รับการออกแบบให้กระชับและง่ายต่อการเรียนรู้ รองรับการออกแบบแบบโมดูลาร์ ซึ่งหมายความว่าบล็อกโค้ดสามารถนำมาใช้ซ้ำได้ ช่วยเร่งกระบวนการออกแบบ
องค์ประกอบหลักของ Verilog ได้แก่ โมดูล บัส (Wire) และรีจิสเตอร์ (Reg) โมดูลก็เหมือนกับเอนทิตีใน VHDL และเป็นหน่วยพื้นฐานของโค้ด บัสและรีจิสเตอร์เป็นสื่อพื้นฐานสำหรับการถ่ายโอนสัญญาณภายในโมดูล
SystemVerilog และ SystemC เป็นทั้งภาษาคำอธิบายระดับระบบที่ออกแบบมาเพื่อลดความซับซ้อนของกระบวนการออกแบบฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อน รองรับการเขียนโปรแกรมเชิงวัตถุ โครงสร้างการควบคุมการทำงานพร้อมกัน และการออกแบบนามธรรมหลายระดับ Chisel—อีกภาษาการเขียนโปรแกรมที่เกิดขึ้นใหม่ โดยมีพื้นฐานมาจากภาษาการเขียนโปรแกรม Scala และมีเป้าหมายเพื่อทำให้การออกแบบฮาร์ดแวร์ การตรวจสอบ และการนำกลับมาใช้ใหม่ง่ายขึ้น
เครื่องมือการสังเคราะห์ระดับสูง (HLS) สามารถแปลงอัลกอริธึมที่เขียนด้วยภาษา C/C++ หรือภาษาระดับสูงอื่นๆ เป็นโค้ด HDL ได้โดยตรง วิธีนี้สามารถลดวงจรการพัฒนาได้อย่างมาก และปรับปรุงความสามารถในการอ่านของการออกแบบ การสร้างต้นแบบและตรวจสอบอย่างรวดเร็ว
เมื่อเลือกภาษาการเขียนโปรแกรม FPGA มีปัจจัยสำคัญหลายประการที่ต้องพิจารณา: ความซับซ้อนของการออกแบบ ความคุ้นเคยของทีมงานโครงการ ประสิทธิภาพการออกแบบที่ต้องการ และการบำรุงรักษา แม้ว่า VHDL และ Verilog จะเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม แต่การเกิดขึ้นของภาษาและเครื่องมือระดับสูงทำให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้น
เมื่อออกแบบ FPGA ปัจจัยที่มักจะต้องพิจารณา ได้แก่ ความปลอดภัยของการออกแบบ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ การใช้ทรัพยากร ข้อกำหนดในการแก้ไขจุดบกพร่องและการตรวจสอบ ฯลฯ นอกจากนี้ ควรคำนึงถึงความคุ้นเคยของทีมและระยะเวลาของโครงการเมื่อเลือกภาษา เนื่องจากทีมออกแบบที่แตกต่างกันอาจชอบภาษาเฉพาะตามภูมิหลังและประสบการณ์ของพวกเขา
1. ภาษาโปรแกรมที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ FPGA คืออะไร?
ภาษาโปรแกรมที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ FPGA ได้แก่ Verilog และ VHDL Verilog เป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ที่ใช้อธิบายระบบดิจิทัล และเหมาะสำหรับการสร้างแบบจำลองและจำลองฮาร์ดแวร์ VHDL เป็นอีกหนึ่งภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ที่สามารถใช้สำหรับการออกแบบและตรวจสอบ FPGA ทั้งสองภาษามีความสามารถในการอธิบายฮาร์ดแวร์ที่ทรงพลังและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฟิลด์ FPGA
2. นอกจาก Verilog และ VHDL แล้ว ภาษาโปรแกรมอื่นสามารถใช้กับ FPGA ได้หรือไม่
นอกจาก Verilog และ VHDL แล้ว FPGA ยังสามารถใช้ภาษาการเขียนโปรแกรมระดับสูงบางภาษา เช่น C และ C++ ได้อีกด้วย ภาษาระดับสูงเหล่านี้สามารถแปลงเป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ระดับต่ำที่เหมาะสำหรับ FPGA ผ่านทางคอมไพเลอร์หรือกลุ่มเครื่องมือเฉพาะ และตระหนักถึงการควบคุมการเขียนโปรแกรมของ FPGA การใช้ภาษาระดับสูงสามารถลดความซับซ้อนของกระบวนการการเขียนโปรแกรม FPGA และปรับปรุงประสิทธิภาพการพัฒนา
3. ฉันจำเป็นต้องเรียนรู้ภาษาการเขียนโปรแกรมเฉพาะเพื่อใช้ FPGA หรือไม่
การเรียนรู้ภาษาการเขียนโปรแกรมเฉพาะมีประโยชน์มากสำหรับการทำงานกับ FPGA โดยเฉพาะ Verilog และ VHDL ภาษาเหล่านี้เป็นภาษามาตรฐานในสาขา FPGA และการเรียนรู้ภาษาเหล่านี้สามารถเข้าใจและออกแบบวงจรดิจิทัลได้ดีขึ้น อย่างไรก็ตาม หากคุณคุ้นเคยกับภาษาการเขียนโปรแกรมอื่นๆ เช่น C หรือ C++ อยู่แล้ว คุณยังสามารถแปลงภาษาระดับสูงเป็นภาษาคำอธิบายฮาร์ดแวร์ที่ FPGA ยอมรับได้ผ่านทางกลุ่มเครื่องมือที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นการเรียนรู้ภาษาการเขียนโปรแกรมเฉพาะจึงมีประโยชน์แต่ไม่จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการใช้ FPGA
ฉันหวังว่าบทความนี้โดยบรรณาธิการของ Downcodes จะช่วยให้คุณเข้าใจการเลือกและการใช้ภาษาการเขียนโปรแกรม FPGA ได้ดีขึ้น โปรดจำไว้ว่าการเลือกภาษาที่เหมาะสมกับความต้องการของโครงการของคุณมากที่สุดคือกุญแจสำคัญ!