Лекция №1 "Что умеют FPGA и зачем они нужны?"

• Максим, руководитель группы FPGAs в МЦ МТТ, приветствует участников курса по FPGAs.  

• Курс организован в формате онлайн из-за текущей ситуации.  

• Курс предназначен для начинающих, с минимальным опытом в программировании.  

• Курс состоит из четырех лекций, каждая длительностью около часа.  

• Лекции будут проходить в течение двух недель.  

• После каждой лекции будет 20 минут на вопросы.  

• Первая лекция: общие вопросы о FPGAs, их применение и вендоры.  

• Вторая лекция: языки проектирования под FPGAs, акцент на SystemVerilog.  

• Третья лекция: особенности SystemVerilog.  

• Четвертая лекция: реализация проекта с нуля.  

• Курс упрощен для новичков, не охватывает все нюансы.  

• Курс не заменит опыт работы, но станет хорошей базой для дальнейшего развития.  

• Аппаратная реализация FPGAs не будет подробно рассмотрена.  

• Первая лекция: что такое FPGAs и зачем они нужны.  

• Термины FPGAs и FPGA являются синонимами в рамках курса.  

• FPGAs противопоставляются специализированным интегральным схемам ASIC.  

• FPGAs: программируемая логическая интегральная схема.  

• Программируемая: можно менять поведение схемы.  

• Логическая: работа с логическими уровнями 0 и 1.  

• Интегральная: все элементы собраны в одном кристалле.  

• Программирование в поле: функциональность схемы определяется пользователем.  

• FPGA: массив вентилей, который можно перепрограммировать.  

• FPGAs не исполняет инструкции, а конфигурируется.  

• FPGAs работают параллельно и одновременно.  

• Пример с процессором: все блоки работают одновременно.  

• FPGAs являются частью цифровой схематехники.  

• Обычная схематехника работает с аналоговыми сигналами.  

• Цифровая схематехника работает с ограниченными сигналами 0 и 1.  

• Цифровая схемотехника работает с абстрактными пинами, имеющими только два уровня: ноль и один.  

• Пример: счетчик, который считает до определенного значения и выдает единицу.  

• Счетчик состоит из двух блоков: счетчика и компаратора.  

• Счетчик считает количество единиц на положительном фронте тактового сигнала.  

• Компаратор сравнивает два числа и выдает единицу на выход при равенстве.  

• Счетчик имеет шесть входных сигналов: тактовый сигнал, инкремент и сброс.  

• Подача импульсов на вход инкремент и сброс.  

• Счетчик увеличивает значение на положительном фронте тактового сигнала.  

• При достижении определенного значения счетчик выдает сигнал в единицу.  

• Счетчик и компаратор работают синхронно по тактовому сигналу.  

• Значение счетчика меняется после положительного фронта тактового сигнала.  

• Скорость работы схемы зависит от частоты тактового сигнала.  

• ПЛИС обрабатывает цифровые сигналы и не требует знания физической реализации.  

• Основные элементы: регистры и логические вентили.  

• Программирование ПЛИС заключается в правильном соединении элементов.  

• ПЛИС более производительны в некоторых задачах, чем процессоры общего назначения.  

• ПЛИС менее гибкие, но могут быть использованы в компактных устройствах.  

• Специализированные микросхемы ASIC более производительны, но менее гибкие и дорогие.  

• ПЛИС используются в небольших партиях и в областях с высокими требованиями к производительности.  

• В больших партиях и при высоких требованиях к вычислительной мощности лучше использовать процессоры общего назначения или микроконтроллеры.  

• Обработка видео и изображений.  

• Высокопроизводительные вычисления.  

• Ускорение сетей.  

• Тестирование и измерение.  

• Военная и космическая области.  

• Точность и детерминированность обработки данных.  

• Обработка большого количества датчиков.  

• Гибкость и обработка большого потока информации.  

• Обработка нестандартных интерфейсов.  

• Высокая скорость обработки и коммутации.  

• Возможность реализации любого цифрового интерфейса.  

• Прием и оцифровка сигналов.  

• Цифровая обработка сигналов.  

• Оценка характеристик и воспроизведение сигналов.  

• Гарантированная стопроцентная нагрузка.  

• Обработка трафика без потерь.  

• Использование трансиверов для преобразования сигналов.  

• Снижение нагрузки на вычисления.  

• Альтернатива графическим ускорителям.  

• Понижение энергопотребления.  

• Безопасность.  

• Цифровая обработка сигналов.  

• Криптография.  

• Сети.  

• Машинное обучение.  

• Zynga, Intel, Lattice и Microsemi.  

• Менее известные производители.  

• Отечественный производитель - Воронежский завод полупроводниковых приборов.  

• Большая часть рынка занята Intel и Zynga.  

• Lattice и Microsemi занимают небольшой процент.  

• Рекомендация выбирать между Intel и Zynga для первого знакомства.  

• Latis и Microsemi имеют уникальные характеристики, подходящие для жестких требований к размерам.  

• В продукте НТЦ Митек Смарт СФПИ установлен процессор Latis, который не подходит по размеру для других чипов Intel и Altera.  

• Latis обеспечивает достаточные ресурсы для сложной логики обработки сетевого трафика при малом размере, потреблении и нагреве.  

• Описание схемы PLIS начинается с блок-схемы, которая описывает функциональность процессора.  

• Схема углубляется в детали, включая мультиплексор для смешивания двух интернет-потоков.  

• На уровне регистровых передач PLIS использует де-триггеры, элементы задержки и логические блоки.  

• Вентильный уровень PLIS представляет собой конфигурацию вентилей, которые остаются неизменными при изменении функциональности.  

• Пример: реализация счетчика на PLIS, который затем переносится на реальную конфигурацию вентилей.  

• Уровень вентилей можно сравнить с соединением водопроводных труб, где конфигурация определяет, как сигналы будут течь по схеме.  

• Буферы входных и выходных сигналов используются для согласования сигналов физической среды с цифровыми сигналами PLIS.  

• Основной блок PLIS — блок логики LMC или CBL, который содержит таблицу истинности и регистры.  

• Аппаратные блоки памяти и умножения также часто используются в PLIS.  

• Тактовые сигналы распространяются по особым путям, чтобы достичь всех участков PLIS одинаково быстро.  

• Важно не использовать регистры для генерации тактовых сигналов, так как это может нарушить функциональность схемы.  

• Аппаратные блоки контроллера памяти и встроенные ISA блоки используются для обработки на высоких частотах.  

• Блок логики LMC или CBL может выглядеть по-разному в зависимости от семейства и вендора.  

• Важно понимать, что структура PLIS может значительно отличаться между вендорами и даже внутри одного семейства.  

• Таблица истинности используется для соответствия комбинаций входных сигналов и выходных сигналов.  

• Она позволяет реализовать любую логическую функцию.  

• Пример: таблица истинности для восьми переменных.  

• Регистры выполняют функцию сохранения данных.  

• Без регистров ПЛИС была бы просто комбинационной цепочкой.  

• Регистры позволяют разносить обработку информации во времени.  

• D-триггер имеет два входных сигнала: тактовый сигнал и данные.  

• Регистр запоминает значение сигнала данных на фронте тактового сигнала.  

• Пример: регистр сохраняет значение сигнала данных на весь период тактового сигнала.  

• Синхронный сброс сбрасывает регистр в состояние ноль.  

• Сброс происходит мгновенно, независимо от текущего состояния регистра.  

• Пример: сброс происходит при спаде сигнала сброса.  

• Регистры могут быть соединены последовательно для создания линии задержки.  

• Пример: три регистра создают задержку сигнала на три такта.  

• Асинхронный сброс сбрасывает все регистры одновременно.  

• Блочная память используется для сохранения временных данных.  

• Интерфейс памяти включает сигналы записи, адреса, данных и тактовые сигналы.  

• Пример: память M9K и M10K.  

• Аппаратное умножение используется для ускорения операций.  

• Логическое умножение требует множества логических элементов и работает на низкой частоте.  

• Пример: блоки аппаратного умножения в ПЛИС.  

• Периферийные блоки включают PLL для работы с тактовой частотой.  

• Трансиверы преобразуют последовательный интерфейс в параллельный.  

• Блоки для доступа к памяти используются для управления памятью внутри ПЛИС.  

• Аппаратные контроллеры позволяют реализовать обработку с меньшей задержкой и уменьшить время разработки.  

• Специализированные процессоры, такие как ARM Cortex-A9, упрощают разработку плат и схем.  

• Встроенные процессоры в PLD упрощают обмен данными между процессором и PLD.  

• Intel: Cyclone 10 - низкопроизводительный и дешевый сегмент.  

• ZILOS: семь поколений, текущее - UltraScale и UltraScale Plus.  

• Артикс и Спартан - низкопроизводительные, Китекс и Вертекс - высокопроизводительные.  

• Читать книгу "Цифровая схемотехника и архитектура компьютера" Харрис Михаррис.  

• Прослушать курс "Введение в PLD" от Pidge Systems.  

• Выбрать язык проектирования и научиться работать с симулятором.  

• Выбрать среду проектирования: Vivado для ZILOS, Quartus для Intel.  

• Освоить стандарт языка проектирования, например, SystemVerilog.  

• Углубляться в симуляцию и автоматизацию анализа кода.  

• Работать над серьезными задачами для лучшего развития.  

• Изучать материалы с сайта Sunburst Design.  

• Задавать вопросы и писать на почту для получения ответов.