FPGA. Разбираемся, как устроены программируемые логические схемы и чем они хороши

Содержание статьи

• Принцип работы
• Применение и преимущества FPGA
• FPGA in the cloud
• FPGA on the edge
• Как разрабатывать проект на FPGA?
• Продолжение следует

Представь, что процессор вместо того, чтобы выполнять набор инструкций, будет перестраиваться под каждую программу и превращать алгоритм непосредственно в «железо». Именно так и работают FPGA! В этой статье я расскажу, как такое возможно, и познакомлю тебя с разными способами проектирования FPGA.

Может быть, ты умеешь взламывать устройства на другом конце света или кодить крутые веб-приложения, но понимаешь ли ты, как работает твой компьютер? И речь не о том, что делает операционка, как функционирует garbage collector в Java или как устроен компилятор C++. Я говорю о самом низком, аппаратном уровне, ниже ассемблера: как работает железо.

Что происходит в микросхеме сетевой карты, когда приходит пакет Ethernet? Как этот пакет передается дальше в оперативную память компьютера через шину PCI Express? Как работают самые быстрые системы распознавания изображений на аппаратном уровне?

Для ответа на эти вопросы надо немного разбираться в цифровой логике работы микросхем ASIC, но начинать с них очень сложно и дорого, и вместо этого лучше начать с FPGA.

INFO

FPGA расшифровывается как field-programmable gate array, по-русски — программируемые пользователем вентильные матрицы, ППВМ. В более общем случае они называются ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы.

С помощью FPGA можно в буквальном смысле проектировать цифровые микросхемы, сидя у себя дома с доступной отладочной платой на столе и софтом разработчика за пару килобаксов. Впрочем, есть и бесплатные варианты. Заметь: именно проектировать, а не программировать, потому что на выходе получается физическая цифровая схема, выполняющая определенный алгоритм на аппаратном уровне, а не программа для процессора.

Работает это примерно так. Есть готовая печатная плата с набором интерфейсов, которые подключены к установленной на плате микросхеме FPGA, вроде крутой платы для дата-центра или отладочной платы для обучения.

Пока мы не сконфигурируем FPGA, внутри микросхемы просто нет логики для обработки данных с интерфейсов, и потому работать ничего, очевидно, не будет. Но в результате проектирования будет создана прошивка, которая после загрузки в FPGA создаст нужную нам цифровую схему. Например, так можно создать контроллер 100G Ethernet, который будет принимать и обрабатывать сетевые пакеты.

Важная особенность FPGA — возможность реконфигурации. Сегодня нам нужен контроллер 100G Ethernet, а завтра эта же плата может быть использована для реализации независимых четырех интерфейсов 25G Ethernet.

Существуют два крупных производителя FPGA-чипов: Xilinx и Intel, которые контролируют 58 и 42% рынка соответственно. Основатели Xilinx изобрели первый чип FPGA в далеком 1985 году. Intel пришла на рынок недавно — в 2015 году, поглотив компанию Altera, которая была основана в то же время, что и Xilinx. Технологии Xilinx и Altera во многом схожи, как и среды разработки. Чаще я работал с продуктами компании Xilinx, поэтому не удивляйся ее постоянному упоминанию.

FPGA широко распространены в разных сферах: потребительской электронике, оборудовании телекома, платах-ускорителях для применения в дата-центрах, робототехнике, прототипировании микросхем ASIC. Пару примеров я разберу чуть ниже.

Также рассмотрим технологию, которая обеспечивает аппаратную реконфигурацию, познакомимся с процессом проектирования и разберем простой пример реализации аппаратного счетчика на языке Verilog. Если у тебя есть любая отладочная плата FPGA, ты сможешь повторить это самостоятельно. Если платы нет, то все равно сможешь познакомиться с Verilog, смоделировав работу схемы на своем компе.

Принцип работы

Микросхема FPGA — это та же заказная микросхема ASIC, состоящая из таких же транзисторов, из которых собираются триггеры, регистры, мультиплексоры и другие логические элементы для обычных схем. Изменить порядок соединения этих транзисторов, конечно, нельзя. Но архитектурно микросхема построена таким хитрым образом, что можно изменять коммутацию сигналов между более крупными блоками: их называют CLB — программируемые логические блоки.

Также можно изменять логическую функцию, которую выполняет CLB. Достигается это за счет того, что вся микросхема пронизана ячейками конфигурационной памяти Static RAM. Каждый бит этой памяти либо управляет каким-то ключом коммутации сигналов, либо является частью таблицы истинности логической функции, которую реализует CLB.

Так как конфигурационная память построена по технологии Static RAM, то, во-первых, при включении питания FPGA микросхему обязательно надо сконфигурировать, а во-вторых, микросхему можно реконфигурировать практически бесконечное количество раз.

Блоки CLB находятся в коммутационной матрице, которая задает соединения входов и выходов блоков CLB.

На каждом пересечении проводников находится шесть переключающих ключей, управляемых своими ячейками конфигурационной памяти. Открывая одни и закрывая другие, можно обеспечить разную коммутацию сигналов между CLB.

CLB очень упрощенно состоит из блока, задающего булеву функцию от нескольких аргументов (она называется таблицей соответствия — Look Up Table, LUT) и триггера (flip-flop, FF). В современных FPGA LUT имеет шесть входов, но на рисунке для простоты показаны три. Выход LUT подается на выход CLB либо асинхронно (напрямую), либо синхронно (через триггер FF, работающий на системной тактовой частоте).

Интересно посмотреть на принцип реализации LUT. Пусть у нас есть некоторая булева функция y = (a & b) | ~ c. Ее схемотехническое представление и таблица истинности показаны на рисунке. У функции три аргумента, поэтому она принимает 2^3 = 8 значений. Каждое из них соответствует своей комбинации входных сигналов. Эти значения вычисляются программой для разработки прошивки ПЛИС и записываются в специальные ячейки конфигурационной памяти.

Значение каждой из ячеек подается на свой вход выходного мультиплексора LUT, а входные аргументы булевой функции используются для выбора того или иного значения функции. CLB — важнейший аппаратный ресурс FPGA. Количество CLB в современных кристаллах FPGA может быть разным и зависит от типа и емкости кристалла. У Xilinx есть кристаллы с количеством CLB в пределах примерно от четырех тысяч до трех миллионов.

Помимо CLB, внутри FPGA есть еще ряд важных аппаратных ресурсов. Например, аппаратные блоки умножения с накоплением или блоки DSP. Каждый из них может делать операции умножения и сложения 18-битных чисел каждый такт. В топовых кристаллах количество блоков DSP может превышать 6000.

Другой ресурс — это блоки внутренней памяти (Block RAM, BRAM). Каждый блок может хранить 2 Кбайт. Полная емкость такой памяти в зависимости от кристалла может достигать от 20 Кбайт до 20 Мбайт. Как и CLB, BRAM и DSP-блоки связаны коммутационной матрицей и пронизывают весь кристалл. Связывая блоки CLB, DSP и BRAM, можно получать весьма эффективные схемы обработки данных.

Продолжение доступно только подписчикам

Материалы из последних выпусков можно покупать отдельно только через два месяца после публикации. Чтобы продолжить чтение, необходимо купить подписку.

Подпишись на «Хакер» по выгодной цене!

Подписка позволит тебе в течение указанного срока читать ВСЕ платные материалы сайта. Мы принимаем оплату банковскими картами, электронными деньгами и переводами со счетов мобильных операторов. Подробнее о подписке

Уже подписан?

Источник