Cơ bản về FPGA

Giới thiệu về khóa học

Khóa học này bao gồm các khái niệm cơ bản về cấu trúc và quy trình thiết kế FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) , đồng thời đề cập đến hai trục thiết kế giao diện và thiết kế thuật toán cấu thành nên thiết kế từ góc độ thực tế. Đây là khóa học nhập môn dành cho những ai muốn học thiết kế FPGA một cách hệ thống, từ người mới bắt đầu đến người đã có kinh nghiệm.

Ngoài ra, thiết kế FPGA về cơ bản tương tự như quy trình front-end của thiết kế ASIC. Do đó, đây là một quy trình chuẩn bị tốt để bước vào thiết kế ASIC . Trên thực tế, việc tạo mẫu bằng FPGA thường được thực hiện khi bắt đầu một dự án ASIC, và điểm chung này cũng là lý do tại sao có nhiều kỹ sư thành thạo cả ASIC và FPGA.

Mục tiêu học tập

• Hiểu FPGA là gì và tại sao chúng được sử dụng.

• Tìm hiểu quy trình thiết kế FPGA từng bước.

• Xác định các yếu tố chính của thiết kế giao diện (đồng hồ, I/O, bộ nhớ, truyền thông tốc độ cao, v.v.).

• Hiểu các khái niệm về thiết kế thuật toán và cấu trúc xử lý song song (DSP, LUT, pipeline, FSM, v.v.).

• Hiểu cách cấu hình hệ thống theo cách tích hợp và những điều cần lưu ý.

• Hiểu về các công cụ phát triển FPGA và tìm hiểu cách cài đặt các công cụ phát triển FPGA của AMD.

• Tìm hiểu cách sử dụng các thành phần bên trong FPGA như CLB, khối bộ nhớ và DSP.

FPGA là gì?

FPGA (Field Programmable Gate Array) là viết tắt của "field programmable gate array" (mảng cổng lập trình trường) và là một chip bán dẫn cho phép người dùng tự do cấu hình cấu trúc mạch phần cứng.

• Khả năng cấu hình lại: khả năng lập trình lại mạch phần cứng để phù hợp với hành vi mong muốn.

• Ứng dụng: Truyền thông, xử lý tín hiệu, trí tuệ nhân tạo, điều khiển robot, giao diện tốc độ cao, v.v.

• Các thành phần: Khối logic, LUT, Flip-Flop, Mạng xung nhịp, RAM khối, DSP Slice, v.v.

Quy trình thiết kế FPGA

1. Định nghĩa yêu cầu

   • Xác định rõ ràng các chức năng, hiệu suất và điều kiện đầu vào/đầu ra cần triển khai

2. Thiết kế RTL

   • Thiết kế bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng như Verilog HDL, system-verilog hoặc VHDL

3. Mô phỏng chức năng

   • Xác minh rằng logic thiết kế đáp ứng các yêu cầu thông qua mô phỏng

4. Tổng hợp

   • Chuyển đổi mã RTL thành mạch cấp cổng thực tế

5. Địa điểm & Tuyến đường

   • Thiết kế vị trí trên các tài nguyên thực tế của FPGA (LUT, FF, DSP, v.v.)

6. Tạo luồng bit

   • Tạo dữ liệu cấu hình mà FPGA có thể nhận dạng

7. Lập trình và gỡ lỗi

   
   

   • Tải xuống FPGA, kiểm tra hoạt động, sửa đổi nếu cần thiết

Các lĩnh vực thiết kế FPGA

1. Thiết kế giao diện

   • Cần có hiểu biết về I/O đầu vào/đầu ra và bộ đệm, cấu trúc xung nhịp, Bộ thu phát Gigabit và Giao diện bộ nhớ.

     
     

2. Thiết kế thuật toán và xử lý song song

   • Sử dụng DSP, Thiết kế logic tùy chỉnh, Thiết kế FSM

   • Thiết kế đường ống và xử lý song song là chìa khóa.

Công cụ thiết kế FPGA

1. Công cụ thiết kế từ các nhà sản xuất thiết bị lớn

   1. AMD FPGA: Vivado, Vitis

   2. Intel FPGA: Quartus

2. Các tính năng chính

   1. Viết mã HDL/mô phỏng/tổng hợp

   2. Thiết lập các ràng buộc thiết kế (XDC, SDC, v.v.)

   3. Phân tích thời gian và tạo luồng bit

   4. Gỡ lỗi trên chip

3. Quy trình làm việc của Vivado + Vitis

   1. Vivado: Thiết kế phần cứng

   2. Vitis: Thiết kế phần mềm

      
      

Cài đặt Vivado

1. Vivado và Vitis là những công cụ cơ bản cần thiết cho quá trình phát triển FPGA của AMD.

2. Bạn cần tạo một tài khoản trên Trang web AMD và tải xuống phiên bản bạn muốn.

   1. Phiên bản Standard miễn phí sử dụng nhưng hỗ trợ cho một số thiết bị bị hạn chế.

   2. Kích thước logic của thiết bị càng lớn thì dung lượng bộ nhớ cần thiết cho PC càng lớn.

3. cài đặt

   1. Yêu cầu dung lượng ổ cứng 100GB trở lên.

   2. Phải mất 1~2 giờ hoặc lâu hơn.

Đèn LED nhấp nháy (Ví dụ)

1. Sử dụng system-verilog, phân chia xung nhịp và RTL, hãy thiết kế một đèn LED bật tắt theo khoảng thời gian 1 giây.

2. Tạo một băng ghế thử nghiệm và chạy mô phỏng.

3. Chỉ định các ràng buộc trong tệp XDC.

4. Đang trong quá trình tổng hợp và triển khai.

5. Thêm tín hiệu gỡ lỗi vào ILA.

6. Lập trình và thử nghiệm FPGA.

Linh kiện bên trong FPGA

1. CLB (Khối logic có thể cấu hình)

2. Ký ức

3. DSP