FGPA的简介及应用

本文涉及的产品
传统型负载均衡 CLB,每月750个小时 15LCU
网络型负载均衡 NLB,每月750个小时 15LCU
应用型负载均衡 ALB,每月750个小时 15LCU
简介: FGPA的简介及应用

FPGAField-Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑芯片,可以在硬件层面上实现各种计算、控制、通讯等功能。相比传统的针对特定应用定制设计的ASIC芯片,FPGA更加灵活,可以通过重新编程实现不同的应用,也具有更高的性能和低功耗。本文将介绍FPGA及其编程方法,并提供一些代码示例。

 

1. FPGA的基本概念

 

FPGA由大量的可编程逻辑块(CLB)、可编程连接线(Interconnect)、I/O接口等组成。CLBFPGA的基本模块,包含了多个寄存器、多路选择器、逻辑门等。通过对CLB的配置,可以实现不同的逻辑和运算操作。Interconnect用于连接不同的CLBI/O接口,形成一个远超过传统ASIC的逻辑网络。I/O接口可以与外部器件进行交互,实现输入输出功能。

 

2. FPGA的编程方式

 

常见的FPGA编程方式有两种:HDLHardware Description Language)和图形化编程。

 

HDL是一种文本描述语言,用于描述FPGA的硬件电路,包括信号的输入输出、处理逻辑等。常见的HDLVHDLVerilog,可以使用相应的编程工具进行编写和仿真。HDL的优点是可以实现更精细的控制和优化,但相对比较复杂,需要具备较高的硬件设计能力。

 

图形化编程则是使用类似于LabVIEW的软件来进行FPGA编程,用户只需要将各个逻辑块、输入输出端口拖拽连接即可。这种方式对硬件设计能力要求相对较低,但缺乏灵活性和优化能力。

 

下面以VHDL编程为例,介绍FPGA的编程方法。

 

3. VHDL编程基础

 

VHDL是一种描述数字电路的硬件设计语言,可用于FPGAASIC等模拟与设计。下面是一个简单的VHDL例子:

 

architecture Behavioral of counter is
   signal count : integer range 0 to 9:=0;
 
begin
   process(clk)
   begin
      if(rising_edge(clk)) then
         if(reset='1') then
            count<=0;
         else
            count<=count+1;
         end if;
      end if;
   end process;
   q<=std_logic_vector(to_unsigned(count, 4));
 
end Behavioral;


这段代码实现了一个简单的计数器,每次上升沿计数,当reset信号为1时清零。该代码涉及到了一些VHDL的基本语法,如:

 

- entity: 是组成电路的基本单位,包括了输入/输出信号、端口定义、架构体(structure)

- architecture: entity的实现部分,通过process语句实现时序逻辑

- signal: 用于定义信号变量(Wire

- process: 用于描述时序逻辑实现过程

- rising_edge: 用于检测时钟信号的上升沿

- std_logic_vector: 用于将整数类型转换为VHDL数据类型

- to_unsigned: 用于将整数类型转换为unsigned类型

 

以上是VHDL编程中常见的一些语法,更多语法详见VHDL标准文本。 image.png

 

4. FPGA编程进阶

 

FPGA编程的常见应用包括数字信号处理、计算机视觉、加密解密、通信系统等。下面是一个实现数字信号处理的例子,将一个10位的数字信号实现快速傅里叶变换(FFT):

 

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;
 
entity FFT is
Port ( clk : in STD_LOGIC;
          rst : in STD_LOGIC;
          ip : in STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0);
          op_real : out STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0);
          op_imag : out STD_LOGIC_VECTOR (9 downto 0)
        );
end FFT;
 
architecture Behavioral of FFT is
 
component butterfly is
Port (clk : in STD_LOGIC;
en : in STD_LOGIC;
i_re_in : in STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
i_im_in : in STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
weight_re_in : in STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
weight_im_in : in STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
o_re_out: out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
o_im_out: out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0)
);
end component;
 
type complex is record
real,imag : signed(9 downto 0);
end record;
 
type buffer is array (0 to 511) of complex;
signal tw_tables : buffer;--旋转因子表
signal in_buf, out_buf : buffer;--输入输出缓存
signal wr_addr, rd_addr : unsigned(8 downto 0):="000000000";
signal phase_index : unsigned(8 downto 0):="000000000";
signal phase_step : unsigned(8 downto 0):="000001000";
 
begin
 
tb_inst : for i in 0 to 1 generate
    bfly : butterfly
    port map (clk,rst,in_buf(i).real,in_buf(i + 2).real,tw_tables(phase_index).real,tw_tables(phase_index).imag,out_buf(i).real,out_buf(i + 2).real);
    bfly : butterfly
    port map (clk,rst,in_buf(i).imag,in_buf(i + 2).imag,tw_tables(phase_index).real,tw_tables(phase_index).imag,out_buf(i).imag,out_buf(i+2).imag);
end generate;
 
calc_tw_tables : process
    constant pi : real := 3.14159265358979323846;
    variable c : complex;
    variable tmp : signed(9 downto 0);
begin
    c.real:="-256";
    c.imag:="-256";
    for i in 0 to 511 loop
       tmp:=signed(round(256*sin(i*2*pi/512)));
       tw_tables(i).real<=std_logic_vector(tmp);
       tmp:=signed(round(256*cos(i*2*pi/512)));
       tw_tables(i).imag<=std_logic_vector(tmp);
    end loop;
end process;
 
input_buf : process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if rst='1' then
            in_buf <= (others=>(real=>"0000000000",imag=>"0000000000"));
            wr_addr<="000000000";
        else
            in_buf(wr_addr).real<=ip;
            wr_addr<=wr_addr+1;
        end if;
    end if;
end process;
 
output_buf : process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        if rst='1' then
            out_buf <= (others=>(real=>"0000000000",imag=>"0000000000"));
            rd_addr<="000000000";
        else
           op_real<=std_logic_vector(out_buf(rd_addr).real);
           op_imag<=std_logic_vector(out_buf(rd_addr).imag);
            rd_addr<=rd_addr+1;
        end if;
    end if;
end process;
 
update_phase : process(clk)
begin
    if rising_edge(clk) then
        phase_index<=phase_index+phase_step;
    end if;
end process;
 
end Behavioral;


这段代码实现了一个基于蝶形运算实现FFT的电路,涉及到的技术点有:

 

- 旋转因子表:用于存储旋转因子,即对FFT时域采样点进行旋转的复数系数

- 输入输出缓存:用于存储输入和输出样本点的缓存

- 时序控制:通过rstclk等信号对整个电路进行时序控制和同步

- 复数类型:使用VHDL提供的signedunsigned类型实现了复数数据类型

 

以上是FPGA编程中常见的一些技术点,实现的代码量较大,需要具备较高的编程能力。完整代码中还包含了蝶形运算模块、时域转频域模块等。

 

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