FPGA چیست؟ بررسی 0 تا 100 برد FPGA

FPGA چیست؟ سخته یا آسون؟

FPGA چیست؟ سوالی که در این صفحه قراره اونو جواب بدیم! اصولا ما آدما اگر در اون لحظه سنگی به سرمون نخورده باشه سعی می کنیم که همیشه تو زندگیمون آسون ترین راه را انتخاب کنیم با سیسوگ همراه باشید. اجازه بدید پیش از شروع آموزش FPGA یه مثال براتون بزنم تا کاملا متوجه چیستی برد FPGA بشید، فرض کنید یک سیستم مهندسی داریم و باید این سیستم را با یک معادله ی ریاضی توصیف کنیم و دو راه حل برای توصیف این سیستم وجود دارد:

واضح است که ما راه اول را انتخاب خواهیم کرد. چرا؟ چون هنوز داغ انواع روش‌های شناخته شده و شناخته نشده حل معادلات دیفرانسیل تازست ولی ما مهندسا دیگه اینقدر پوستمون کلفت شده که از یک معادله جبری نمی‌ترسیم.

حالا فرض کنید که یک معادله جبری نمی‌تواند این سیستم مهندسی را به طور کاملا صحیحی توصیف کند، چاره چیست؟ چاره ای نیست جز اینکه برویم سراغ توصیف این سیستم با یک معادله‌ی دیفرانسیل، بالاخره همیشه که دو راه یا چند راه وجود ندارد بعضی وقتا پیش میاد که یک راه و راه دیگری نیست.

دیگه وقتشه که از مقدمه گذر کنیم و بریم سراغ اصل مطلب، ولی قبلش اینو بدونید راهی که ما انتخاب کردیم، راه دوم یعنی سخت‌ترین راه می باشد، بعدا خودتون دلیلش رو خواهید فهمید.

اسم این مسیری که ما انتخاب کردیم و ظاهرا هم ترسناک به نظر میاد (نگران نباشید بعدا متوجه خواهید شد که اونقدرا هم ترسناک نیست) موجودی است به نام FPGA یا به طور دقیق‌تر Field Programmable Gate Array.

مسیر پیشرفت تکنولوژی و بوجود آمدن FPGA

اگر اجازه بدهید گذری به مسیر تاریخی که منجر به تولید FPGA شد داشته باشیم تا آسان تر به سوال FPGA چیست پاسخ بدیم، در گذشته طراحان الکترونیک برای پیاده سازی توابع و اعمال منطقی خود از آی سی‌ها بهره می جستند ولی کم کم با گستردگی و پیچیده‌تر شدن سیستم‌های الکترونیکی این روش دیگر کار آمد نبود، راه جدید به این صورت بود که ما تمامی مشخصات طرح خود را به کارخانه تحویل می‌دادیم و کارخانه سازنده طرح موجود را پیاده سازی می کرد و به ما تحویل می‌داد.

از مزایای این روش هرچه بگوییم کم گفتیم. کاهش قابل ملاحظه ابعاد و حجم سیستم، کاهش نویز و توان مصرفی از مزایای این روش بودند اما یک عیبب بسیار بزرگ وجود داشت، عیبی که ما در یک طرح مهندسی یا در تولید یک محصول، اکثر اوقات همه چیز را فدای اون می‌کنیم، یعنی بالا بودن هزینه تولید یک نمونه از طرحی که ما تحویل کارخانه دادیم. از طرفی دیگر تکنولوژی این روش چندان فراگیر نبود.

همین دو عیب بزرگ باعث شد تا راه حل دیگری جایگزین شود، راه حل ساخت تراشه‌های قابل برنامه ریزی. اما این تراشه ها یکدفعه ساخته نشدند. در اوایل کار یک سری تراشه ساخته شدند که بیشتر به عنوان حافظه‌های قابل برنامه‌ریزی استفاده می‌شدند تا به عنوان  پیاده‌سازی توابع منطقی ولی عیب بزرگ این تراشه‌ها این بود که قابلیت بازنویسی مجدد را نداشتند ولی کم کم این عیب برطرف شد و این تراشه‌ها با استفاده از اشعه ی ماورای بنفش قابلیت پاک شدن را داشتند و ما می توانستیم آنها را بازنویسی کنیم. این مسیر به همین منوال پیش رفت تا اینکه این تراشه ها با استفاده از سیگنال‌های الکتریکی پاک می‌شدند.

خب تا الان احساس می‌کنید که تراشه‌های بسیار جالبی ساخته شدند ولی این همه ی داستان نیست در ادامه به جاهای جالب تر خواهیم رسید. بالاخره همه ی این پیش زمینه‌ها طی شد تا اینکه اولین تراشه برنامه پذیر برای مدارات منطقی ساخته شد و در نهایت پیشرفت در این نوع از تراشه‌ها منجر به ساخت FPGA شد.

اجزای تشکیل‌دهنده FPGA

اجزای تشکیل‌دهنده FPGA عبارت‌اند از:

1. بلوک‌های منطقی (Logic Blocks)

بلوک‌های منطقی، یکی از اصلی‌ترین اجزای تشکیل‌دهنده FPGA هستند که وظیفه پردازش و انجام عملیات منطقی را بر عهده دارند. این بلوک‌ها معمولاً از جداول LUT (Look-Up Table)، فلیپ‌فلاپ‌ها و مالتی‌پلکسرها تشکیل شده‌اند. LUT یک جدول حافظه کوچک است که می‌تواند هر تابع منطقی را با استفاده از ورودی‌هایش پیاده‌سازی کند. فلیپ‌فلاپ‌ها برای ذخیره اطلاعات به‌صورت موقتی و ساخت مدارهای ترتیبی استفاده می‌شوند.

2. منابع ارتباطی (Routing Resources)

برای اینکه سیگنال‌ها بتوانند بین واحدهای مختلف منطقی حرکت کنند، FPGA به یک شبکه پیچیده از مسیرهای ارتباطی نیاز دارد. این منابع شامل سیم‌های بین‌اتصالی و سوئیچ‌هایی هستند که امکان برقراری ارتباط بین بلوک‌های منطقی مختلف را فراهم می‌کنند. این مسیرها قابل‌برنامه‌ریزی هستند و بسته به طراحی مدار، می‌توان آن‌ها را به‌دلخواه تنظیم کرد تا بهترین عملکرد حاصل شود.

3. بلوک‌های ورودی/خروجی (I/O Blocks)

بلوک‌های I/O وظیفه اتصال FPGA به دنیای بیرون را برعهده دارند. این بلوک‌ها سیگنال‌های دیجیتال را از دنیای بیرونی دریافت کرده و به مدار داخلی منتقل می‌کنند، یا بالعکس، خروجی‌های مدار را به بیرون هدایت می‌کنند. این بلوک‌ها می‌توانند برای پشتیبانی از استانداردهای مختلف ولتاژ و پروتکل‌های ارتباطی مانند LVTTL، LVCMOS و غیره پیکربندی شوند.

4. منابع حافظه و بلوک‌های ویژه

برخی از FPGAها شامل بلوک‌های حافظه داخلی (مانند RAM) هستند که می‌توانند برای ذخیره داده‌ها یا پیاده‌سازی بافرها استفاده شوند. علاوه بر این، برخی از FPGAهای پیشرفته دارای بلوک‌های خاص مانند ضرب‌کننده‌های سخت‌افزاری DSP blocks))، پردازنده‌های داخلی (مانند ARM cores)، یا حتی سیستم‌های مدیریت کلاک هستند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای به طراح ارائه می‌دهند.

زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA

زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA مخفف (Field-Programmable Gate Array) نقش بسیار مهمی در طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های دیجیتال دارند. FPGAها تراشه‌هایی قابل‌برنامه‌ریزی هستند که می‌توان آن‌ها را برای انجام وظایف خاصی در سطح سخت‌افزار تنظیم کرد. برخلاف پردازنده‌های سنتی که برنامه‌ها را به‌ صورت ترتیبی اجرا می‌کنند، FPGAها از ساختار موازی بهره می‌برند، به همین دلیل برای کاربردهای با نیاز به سرعت بالا و تأخیر پایین، مانند پردازش تصویر، شبکه و صنایع هوافضا بسیار محبوب‌اند.

برای برنامه‌نویسی FPGA، معمولاً از زبان‌های توصیف سخت‌افزار (HDL: Hardware Descr iption Language) استفاده می‌شود. دو زبان اصلی در این حوزه VHDL و Verilog هستند.

VHDL، مخفف VHSIC Hardware Description Language، زبانی ساخت‌یافته و شبیه به Ada است که بیشتر در اروپا و در پروژه‌های نظامی و صنعتی استفاده می‌شود. این زبان امکان طراحی سیستم‌های پیچیده با سطح بالای انتزاع را فراهم می‌کند.

Verilog نیز یک HDL است که نحوی شبیه به زبان C دارد و بیشتر در آمریکا و در صنعت نیمه‌هادی‌ها رایج است. هر دو زبان قابلیت شبیه‌سازی، سنتز، و پیاده‌سازی سیستم‌های دیجیتال را دارند.

علاوه بر این زبان‌های سطح پایین، اخیراً زبان‌ها و ابزارهای سطح بالاتر نیز برای برنامه‌نویسی FPGA توسعه یافته‌اند. به‌عنوان‌مثال، زبان‌هایی مانند SystemVerilog (نسخه‌ی گسترش‌یافتهVerilog ) یا ابزارهایی مثل Xilinx Vivado HLS به برنامه‌نویسان اجازه می‌دهند که با استفاده از زبانC/C++ توصیف سخت‌افزاری بنویسند. این تکنولوژی که تحت عنوان High-Level Synthesis (HLS) شناخته می‌شود، روند طراحی را ساده‌تر کرده و دسترسی به FPGAها را برای توسعه‌دهندگان نرم‌افزار آسان‌تر کرده است.

به‌طورکلی، انتخاب زبان مناسب برای برنامه‌نویسی FPGA به نوع پروژه، تجربه‌ی تیم طراحی، و نیازهای عملکردی بستگی دارد. زبان‌های سطح پایین‌تر کنترل دقیق‌تری روی سخت‌افزار فراهم می‌کنند، درحالی‌که زبان‌های سطح بالاتر توسعه سریع‌تر و نگهداری ساده‌تری دارند.

کاربردهای FPGA

برخلاف پردازنده‌ها یا میکروکنترلرها که ساختار ثابتی دارند، FPGA قابل‌برنامه‌ریزی مجدد است و کاربر می‌تواند معماری سخت‌افزاری دلخواه خود را روی آن پیاده‌سازی کند. این ویژگی باعث می‌شود FPGA در پروژه‌هایی که به سرعت پردازش بالا و انعطاف در طراحی نیاز دارند، بسیار پرکاربرد باشد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای FPGA در حوزه پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) است. در سیستم‌هایی مثل رادار، پردازش صوت و تصویر یا سیستم‌های مخابراتی پیشرفته، حجم بالای داده باید با سرعت زیاد پردازش شود.

FPGA این امکان را فراهم می‌کند که با طراحی موازی و هم‌زمان چندین ماژول پردازشی، سرعت پردازش بسیار بیشتری نسبت به CPU یا GPU حاصل شود.

در صنعت نیز FPGA در اتوماسیون صنعتی، کنترل موتور و سامانه‌های ایمنی کاربرد دارد. به دلیل توانایی اجرای هم‌زمان چندین وظیفه با تأخیر کم، FPGA برای سیستم‌های بلادرنگ (Real-time Systems) گزینه‌ای عالی محسوب می‌شود. همچنین در تجهیزات پزشکی و فضایی، به دلیل قابلیت اطمینان بالا و امکان به‌روزرسانی ساختار سخت‌افزاری بدون تعویض قطعه، از FPGA بهره گرفته می‌شود.

در زمینه هوش مصنوعی و یادگیری ماشین نیز استفاده از FPGA در حال افزایش است. شرکت‌هایی مانند Intel و Xilinx حالا بخشی ازAMD ماژول‌های FPGA مخصوص برای شتاب‌دهی به الگوریتم‌های یادگیری عمیق طراحی کرده‌اند. انعطاف‌پذیری در ساختار FPGA به مهندسان این امکان را می‌دهد که معماری سفارشی و بهینه برای هر مدل یادگیری بسازند که مصرف انرژی پایین‌تر و بهره‌وری بالاتری نسبت به سیستم‌های سنتی دارد.

مقایسه FPGA با پردازنده‌های مختلف

وقتی ما از سختی حرف می‌زنیم غالبا در مقایسه با عملی دیگر این صفت را به کار می‌بریم، حالا مقایسه‌ای که ما می‌خواهیم انجام بدهیم مقایسه‌ای خواهد بود بین FPGA و یک نوع پردازنده مثلا AVR یا ARM. حداقل امکاناتی که می‌تواند در یک پردازنده وجود داشته باشد شامل CPU، حافظه‌های دائمی و موقت و ورودی-خروجی‌ها می‌باشد.

اما تقریبا هیچ کدام از امکاناتی که در پردازنده‌ها وجود دارند در FPGA وجود ندارند مگر ورودی-خروجی‌ها و یک سری منابع دیگر که بعدا بیشتر باهاشون آشنا خواهیم شد. خب تا الان که هر چی بدی تو دنیا وجود داره به این FPGA بدبخت نسبت دادیم و می گوییم که سخت‌ترین راه نیز هست.

اما در دل FPGA چه چیزی نهفته است که می‌تونه همچین سرعتی داشته باشه؟ تازه بحث داره جالب میشه و مطمئنم برای شما نیز خیلی هیجان انگیزه وقتی کاملا متوجه طرز کار این نوع از تراشه‌ها بشید.

باید بگم که در FPGA چیزی به اسم CPU وجود ندارد، یکی از دلایل اصلی سرعت زیاد در دل همین نکته نهفته است. خب بهتره اول یه نگاهی به دیاگرام زیر بیندازید تا بعد بهتر بتونیم در مورد این موضوع با هم صحبت کنیم.

مقایسه FPGA با CPU و پردازنده‌ها و میکروکنترلرها

شاید تا الان با یک نگاه مفهومی به دیاگرام بالا متوجه شده باشید که ادامه صحبت ما در مورد چه خواهد بود. همانطور که می‌بینید در پردازنده یک CPU وجود دارد که به ترتیب دستور C1  را روی دیتای D1 و دستور C2 را روی دیتای D2 اعمال خواهد کرد و به همین ترتیب تا آخر، توجه کنید که این اعمال همزمان صورت نمی‌پذیرد بلکه به صورت یکی پس از دیگری انجام خواهد شد، اما در FPGA به طور همزمان دستور C1  روی دیتای D1 و دستور C2 روی دیتای D2 اعمال خواهد شد و به همین نحو به صورت همزمان و موازی با هم تا آخر.

اما یک دلیل عمده دیگر نیز هست که سرعت این نمونه از تراشه‌ها را بسیار زیاد می‌کند، در پردازنده‌ها معماری ثابت است و ما فقط برای آن برنامه‌نویسی می‌کنیم و سخت افزار تقریبا هیچ گونه انعطافی ندارد. تنها عامل قابل تغییر برنامه‌ای است که ما می‌نویسیم. اما در FPGA همانطور که قبلا گفتیم تقریبا هیچ گونه سخت افزار از قبل آماده‌ای وجود ندارد. به این صورت که ما از یک سری منابع موجود برای هر کاربرد جدیدی یک مدار دیجیتال را به صورت بهینه پیاده سازی می‌کنیم و الگوریتم‌های زیادی برای پیاده سازی این سخت افزار وجود دارد که آن را به صورت بهینه‌ترین حالت ممکن پیاده سازی می‌کند. همین انعطاف در سخت افزار، عامل دیگر سرعت زیاد در این نوع تراشه هاست و اصولا در FPGA هیچ گونه برنامه‌ای (منظور برنامه‌ای که با یک زبان برنامه نویسی ایجاد می‌شود) وجود ندارد و فقط باید به فکر توصیف یک سخت افزار از منابع موجود بود.

قبل از اینکه بحثمون تموم بشه و بدانید که کار آسونی هست و می تونید از عهدش بر بیایید این نوید را بهتون بدم که برای توصیف یک سخت افزار در درون FPGA، اشراف کامل بر مدارات دیجیتال نیاز نیست و درک منطق مدار دیجیتالی که می‌خواهیم طراحی کنیم، می‌تواند راه را بسیار برای ما هموار کند. با استفاده از زبان توصیف سخت‌افزاری که بعدا باهاش آشنا خواهیم شد و یک کد، می‌تونیم مدار مورد نظر خود را طراحی کنیم، ولی ناگفته نماند که در اکثر اوقات آشنایی هرچه بیشتر با مدارات دیجیتال می‌تواند به ما کمک کند که طراحی را بهتر و سریعتر انجام بدهیم.

امیدوارم که تا به این جای کار از این موضوع خوشتون اومده باشه، در قسمت‌های بعدی به طور مفصل در مورد منابع درونی، چگونگی ایجاد سخت افزار با استفاده از منابع درونی، مزایا و معایب و اینکه چه مواقعی و به چه نحوی سراغ اینگونه از تراشه‌ها برویم صحبت خواهیم کرد.

در قسمت دوم آموزش FPGA به نحوه انتخاب FPGA می‌پردازیم. با سیسوگ همراه باشید.

سؤالات متداول درباره FPGA

1. FPGA چیست؟

FPGA (Field Programmable Gate Array) یک تراشه دیجیتال قابل برنامه‌ریزیه که کاربر می‌تونه منطق دلخواه خودش رو داخلش پیاده‌سازی کنه، مثل طراحی یک پردازنده، کنترلر، فیلتر دیجیتال و غیره.

2. چه تفاوت‌هایی بین FPGA و پردازنده‌هایی مانند AVR یا ARM وجود دارد؟

بر اساس مقاله، پردازنده‌ها دارای CPU، حافظه‌های دائمی و موقت و ورودی-خروجی‌ها هستند، درحالی‌که FPGA فاقد CPU و حافظه‌های داخلی است و تنها شامل ورودی – خروجی‌ها و منابع دیگر می‌باشد. این تفاوت‌ها باعث می‌شود FPGA برای کاربردهایی با نیاز به سرعت بالا مناسب‌تر باشد.​

3. چرا با وجود سختی طراحی، از FPGA استفاده می‌شود؟

مقاله اشاره می‌کند که دلیل اصلی استفاده از FPGA، سرعت بسیار بالای آن‌ها است. به دلیل ساختار خاص FPGA که فاقد CPU است و امکان پردازش موازی را فراهم می‌کند، این تراشه‌ها برای کاربردهایی که نیاز به سرعت بالا دارند، مناسب هستند.​

4. FPGAها چگونه به وجود آمدند؟

مقاله توضیح می‌دهد که در گذشته، طراحان الکترونیک برای پیاده‌سازی توابع منطقی از آی‌سی‌ها استفاده می‌کردند. با پیچیده‌تر شدن سیستم‌ها، نیاز به تراشه‌هایی با قابلیت برنامه‌ریزی مجدد به وجود آمد. این مسیر با تراشه‌هایی که با اشعه ماورای‌بنفش پاک می‌شدند آغاز شد و در نهایت به تولید FPGA منجر شد.​