# FPGA 编程如何工作？

提图斯· 卡穆尼亚

硬件和软件之间存在着非常细的界限。在为计算机等小工具创建硬件时，必须确保它可以运行并执行代码。

现场可编程门阵列（FPGA）是一种允许用户随时随地定制电路的硬件架构形式。

如果您想从事计算机科学或技术领域的职业，了解 FPGA 编程的工作原理将非常有价值。

在本文中，我们将描述什么是 FPGA 编程、它是如何工作的以及它的应用场合，并共享各种资源以进一步阐明它。

FPGA编程

FPGA 是一种集成电路 (IC)，具有可配置逻辑块和可由用户编程和重新编程的各种其他功能。

“现场可编程”一词表示 FPGA 的功能不是硬连线的，而是可调节的。因此，用户可以随时修改电路的功能以满足其特定的设计意图。

*FPGA 编程可以描述为使用 FPGA 创建计算解决方案的过程。 *

程序员必须规划、设计和执行门的架构，以创建满足用户需求的功能电路。 FPGA 编程的最终目标是创建一个在上电时生成特定输出的硬件电路。

FPGA 上的电路板旨在模仿现实电路的行为。因此，质量保证团队最常使用此类电路板来测试新产品。 FPGA 系统将具有各种硬件元件。

逻辑门充当 FPGA 基础级别的构建块。逻辑门对输入和输出数据执行布尔运算。还有将信号从一点路由到另一点的路由资源。

FPGA 编程用例

FPGA 编程对现代世界的开发人员非常有吸引力。

以下是一些用例；

=#1.= 设计 ASIC

开发人员现在可以设计专用集成电路 (ASIC)。 ASIC 在比特币挖矿领域已经变得非常流行。

FPGA的设计使得纠正错误变得容易。 FPGA 的优点在于您可以将其用作其他项目的模型，从而从长远来看节省时间和资源。

=#2.= 可再生能源领域

在面临全球变暖挑战的世界中，风能和太阳能可再生能源变得越来越受欢迎。输配电 (T&D) 变电站需要高效的电力网络，以使智能电网发挥最佳性能。

FPGA 在提高智能电网的可扩展性和性能方面非常有用，同时仍保持低功耗。

=＃3。= 航空航天和国防

飞机有时会飞过恶劣的环境。因此，制造公司生产抗辐射和抗辐射 FPGA，与传统 ASIC 实现相比，这些 FPGA 能够满足极端环境的可靠性、性能和生命周期要求。

=＃4。= 服务器应用

随着对数据处理速度的需求与日俱增，数据中心/服务器已成为现实。即使在有限的空间和时间限制下，数据也需要实时处理。

FPGA 通过 BRAM 可以提供与外部数据存储元件的连接，从而加速芯片上的数据处理。

FPGA 编程的好处

• FPGA 是可重新配置的。 必须考虑 FGPA 的可用性。您可以配置一个并重新配置它以在另一个应用程序中使用。
• FGPA 需要较少的手动干预。 该软件处理 FGPA 环境中的布线、定时和布局任务。如果手动处理，此类任务可能会非常耗时且复杂。
• FPGA 就像空白画布一样。 与具有预定义功能的传统 ASIC 不同，FPGA 可以针对不同的用例重新编程。因此，工程师可以使用 HDL（硬件设计语言）将此类系统编程为不同的用例。
• 原型设计 。 ASIC 的制造成本很高，一个简单的错误就可能造成高昂的代价。在将 ASIC 推向市场之前，确保您的系统正常运行并满足其设计目标非常重要。 FPGA 是可重新编程的，这意味着您可以测试运行，直到获得正确的设计。

如何对 FPGA 进行编程

用于运行 FPGA 的设计主要使用硬件描述语言 (HDL) 进行编码，例如 SystemVerilog、Verilog 和 VHDL。

=#1.= Verilog

如果您想用几行代码对 FPGA 进行编程，Verilog 是理想的选择。尽管这种语言是为硬件架构设计的，但它与 C 语言相当。 Verilog 的创建是为了使 HDL 更加灵活和强大。

=#2.= 系统Verilog

SystemVerilog 是作为 Verilog 的扩展而创建的。它既是一种硬件验证语言，又是一种硬件描述语言。使用这种语言，您可以描述硬件模式，将其转换为数字代码，然后将其上传到 FPGA 系统中以执行指定的任务。

=＃3。= 超高清描述语言

VHDL 是超高速集成电路硬件描述语言的缩写。使用 VHDL，您可以描述 FPGA 的硬件，允许用户在将其编码到实际硬件之前对其进行建模和仿真。

使用 VHDL 编程可以轻松确定电路中的潜在错误，用户可以在最终编码之前修复这些错误。 VHDL 允许用户编写结构化代码。

高级综合 (HLS) 是用 C 子集完成设计，编译器将代码转换为 Verilog 代码，受到想要对 FPGA 进行编程的开发人员的欢迎。

开发人员可以使用自己熟悉的语言，通过统一的软件平台来设计FPGA。

=＃4。= Python

这种多用途编程语言可用于对 FPGA 进行编程。为了实现这一目标，Python 使用PYNQ，这是一个开源项目，可以轻松地与 AMD 平台配合使用。

=＃5。= C 和 C++

由于具有高级综合 (HLS) 功能，基于 C 的语言非常适合 FPGA 设计。 AMD Vivado™ HLS 编译器提供了一个与专用和标准处理器共享关键技术的编程环境，可优化基于 C 的程序。

=＃6。= TensorFlow 和 PyTorch 等 AI 平台

工程师使用Pytorch 或Tensorflow中训练有素的深度学习模型进行编译以实现 FPGA 加速。这种方法消除了对低级硬件编程的需要，同时仍然实现了极快的编译。 [](https://geekflare.com/install-tensorflow-on-windows-and-linux/)

使用普通编程语言（例如 Python、C 或 C++）编写的代码通过综合工具进行综合并转换为专有互连描述。

包含互连描述的结果文件称为比特流。比特流描述了如何配置 FPGA（如何通过 FPGA 的互连矩阵连接触发器、门和各种数字电路元件）。

FPGA 具有内置配置，可以读取比特流文件并相应地配置 FPGA。配置电路可以通过并行Flash Memory、JTAG、串行Flash Memory等多种方式读取比特流文件。

FPGA 板制造商提供开发人员用于配置/编程系统的软件/指令。

大多数 FPGA 系统都可以多次重新编程。唯一的限制是此类系统因磨损、温度或高电压等不合规格的条件而损坏。