آموزش FPGA پیشرفته

FPGA ها برای ایجاد یک سیستم با انعطاف پذیری و کارآیی بالا مورد نیاز می‌باشند. FPGA ها با ارائه یک معماری برنامه پذیر، قیمت پایین و زمان راه اندازی اندک و مهم تر از همه، ایجاد امکان پردازش موازی مشکلات متعدد مهندسین و طراحان مدارات دیجیتال را رفع نموده اند. از دیگر مزایای استفاده از FPGA ها در طراحی‌ها، می‌توان به سرعت بالای پردازش و فرکانس کاری بسیار بالای آن ها اشاره کرد. FPGA ها در حوزه‌های گسترده ای از جمله پردازش سیگنال، پردازش تصویر، سیستم‌های انتقال داده­‌های دیجیتال، سیستم‌های مخابراتی، سیستم‌های جنگ الکترونیک، سیستم‌های بی­سیم، سیستم‌های راداری و سیستم‌های مختلف کنترلی به کار برده می‌شوند.

هدف از دوره آموزشی FPGA پیشرفته چیست؟

هدف از دوره آموزشی FPGA پیشرفته آشنایی با معماری داخلی FPGAها، نحوه برنامه‌­ریزی و استفاده از آن‌ها، بهینه­‌سازی برنامه­‌ها، شبیه‌سازی برنامه‌­ها، معرفی ابزارهای مورد استفاده جهت کار با تراشه­‌های FPGA و استفاده از تراشه‌­ها در پروژه­‌های جدی با نرخ بالا و حجم پردازش سنگین است. 

دوره آموزش FPGA پیشرفته مناسب چه کسانی است؟

این دوره ها برای کسانی که علاقمند به کار در حوزه­‌های مختلف مرتبط در ایران و یا خارج از کشور هستند، مناسب است. همچنین دانشجویانی که در زمینه­‌های تحقیقاتی مشغول هستند می­ توانند از مفاهیم گفته شده استفاده نمایند. بطور کل یکی از قدرتمندترین تراشه‌هایی که امروزه در کاربردهای مختلف الکترونیکی، مخابراتی و کنترل مورد استفاده شرکت های بزرگ دنیا و ایران است، تراشه­‌های FPGA است که با فراهم آوردن بسترهایی برای پردازش سیگنال، قابلیت‌های مورد استفاده در پردازنده‌­ها و… در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

بعد از فراگیری دوره آموزش FPGA پیشرفته در مکتب‌خونه چه مهارت­‌هایی کسب خواهید کرد؟

این دوره آموزشی در ادامه مباحث دوره FPGA مقدماتی ارائه می‌شود. در دوره مقدماتی به مفاهیم اساسی مربوط به معماری FPGAها، مقایسه آن‌ها با دیگر پردازنده‌­ها، ساختارهای برنامه‌­نویسی موجود برای FPGAها، فرآیند شبیه­‌سازی و پیاده­‌سازی آن‌ها پرداخته می‌­شود و در دوره پیشرفته فرآیند مورد استفاده جهت اجرای محاسبات پردازشی، بهینه­‌سازی کدها در پروژه ­های با نرخ بالا یا محدودیت‌های سطح مصرفی یا توان مصرفی، روند کوانتیزاسیون و انکدینگ مورد استفاده در الگوریتم‌های پردازشی و مباحث مربوط با هسته­‌های پردازشی تشریح خواهند شد.

در این آموزش فرآیند Run، Compile و سنتز در محیط نرم‌افزارهای ISE و Vivado انجام می‌شود.

ویژگی‌های نرم‌­افزار ISE و Vivado:

• این نرم‌­افزارها در بسترهای ویندوز و لینوکس قابل استفاده هستند.
• این نرم‌­افزارها از قدرتمندترین نرم‌­افزارها در حوزه سنتز و پیاده‌­سازی FPGA در دنیا محسوب می­‌شوند.
• سایت شرکت Xilinx نسخه‌­های مختلف این نرم‌­افزارها را بصورت رایگان در اختیار کاربران قرار داده است.
• هسته­‌های پردازشی آماده متنوع، پشتیبانی از زبان‌های برنامه­‌نویسی VHDL و Verilog، امکان دسترسی و تغییر floorplan، قابلیت اضافه‌شدن برخی ابزارهای آن‌ها به نرم‌­افزار قدرتمند MATLAB و … برخی از ویژگی‌های این نرم‌­افزارها به حساب می‌­آیند.
• امکان ایجاد بستر ارتباطی با پردازنده‌­ها در سری‌ها جدید تراشه‌­های FPGA بستری ایده‌­آل را برای طراحانی که همزمان سرعت بالای FPGAها و سادگی طراحی با پردازنده­‌ها را به صورت توامان مدنظر دارند، فراهم می‌­آورد.

فواید به کارگیری FPGA

اف پی جی ای یا آرایه و درگاه قابل برنامه ریزی نسبت به دیگر سخت افزارهای مزایا و فواید زیادی دارد که باعث شده است بسیاری از کارشناسان فنی و مهندسی به دنبال آموزش FPGA پیشرفته باشند. FPGA یک تراشه سیلیکونی و مدار مجتمع است که آرایه‌هایی با گیت‌های منطقی داشته و این آرایه‌ها براحتی قابل برنامه ریزی هستند به شکلی که بسیاری از افراد حتی افراد مبتدی نیز می‌توانند از این مدار برای ساخت لوازم الکترونیکی استفاده کنند. FPGA یک صفحه خالی است که به خودی خود کاری انجام نمی‌دهد. FPGA پس از بارگزاری در یک فایل بیتی مانند مدار دیجیتال عمل می‌کنند.

یکی از تفاوت‌های اصلی FPGA با میکرو کنترلرها این است که آنها قابل برنامه ریزی هستند در حالی که میکرو کنترلرها این قابلیت را ندارند. کاربر نه اجازه بازنویسی تنظیمات را دارد و نه قادر است مدارهای دیجیتالی ایجاد کند. برنامه ریزی میکروکنترلرها آسان است و اجتماع آنها نیز وسیع است.

میکرو کنترلرها در واقع مینی رایانه‌های سفارشی هستند که به شکل IC تولید می‌شوند این در حالی است که FPGA تنها بلوک‌های منطقی دارند که می‌توانند به‌وسیله برق سیم کشی شوند. میکروکنترلرها نسبت به FPGA انرژی کمتری مصرف می‌کنند. طبق تحقیقات انجام شده به‌کارگیری FPGA بسیار پر هزینه است و هنگام ساخت هر دستگاهی باید هزینه بیشتری نسبت به میکروکنترلرها کرد. تنظیم و برنامه ریزی FPGA نسبت یه میکروکنترلرها زمان بیشتری برده و میکروکنترلرها برای برنامه‌های ویژه براحتی طراحی و ساخته شده‌اند.

برخی از این فواید FPGA به شرح زیر است:

•  مدارهای FPGA نسبت به دیگر مدارها سرعت پردازش بالاتری دارند.
•  امکان پردازش موازی و تعریف چند هسته مختلف برای مدار
• شخصی سازی سخت افزار با توجه به کاربرد آن 
• برنامه نویسی آسان و امکان استفاده عموم علاقه مندان به طراحی مدار و سخت افزار

سازندگان اصلی FPGA در دنیا

بازار ساخت FPGA انحصارا در اختیار شرکت‌های زیلینکس و آلترا (زیر مجموعه اینتل) قرار دارد. در سال 2016 این دو شرکت تا 90 درصد تولیدات بازار را در اختیار داشتند. این دو شرکت با همکاری هم برنامه‌ها و نرم‌افزارهایی طراحی کردند تا متخصصان FPGA از آنها در توسعه برنامه‌های خود استفاده کنند.

کاربردهای برنامه FPGA

ماهیت منعطف و قابل برنامه ریزی FPGA آن را برای استفاده در زمینه‌های مختلف مناسب ساخته است. انواع کاربردهای FPGA در دوره آموزش FPGA مقدماتی به دانشجویان و علاقه مندان ارائه می‌شود. در ادامه با برخی از کاربردهای گسترده FPGA آشنا می‌شویم.

• هوافضا و صنایع دفاعی: FPGA های مقاوم در برابر تشعشع همراه با امکانات پردازش تصویر که قادرند شکل موج و پیکربندی آن را ترسیم کنند.
• نمونه سازی اولیه: مدل سازی سریع و دقیق با سیتم SOC
•  صنایع خودرو سازی: طراحی سیستم‌های کمک راننده، طراحی داخلی خودرو، طراحی قطعات سیلیکونی و IP برای خودروها
• طراحی پلتفرم‌های مخصوص سیستم‌های پخش صوتی و تصویری، در سطح بالا و حرفه‌ای. FPGA شما را با تغییرات سریع تکنولوژی سازگار کرده و چرخه عمر محصول را طولانی ترمی‌کند.
• لوازم الکترونیکی مصرفی: این فناوری راه حل‌هایی مقرون به صرفه برای طراحی لوازم الکترونیکی نسل‌های آینده را فراهم می‌کند. وسایلی مانند گوشی‌های همگرا، نمایشگرهای صفحه تخت دیجیتال، شبکه‌های خانگی و تکنولوژی‌های خانه‌های مسکونی از جمله این دستاوردها هستند.
• کاربرد وسیع در دیتا سنترها به‌دلیل برنامه پذیر بودن FPGA
• کابردهای وسیع در صنایع پزشکی، تشخیصی و ساخت دستگاه‌های پزشکی
•  پردازش تصویر، تشخیص صوت، تبدیل دیجیتال به آنالوگ و پردازش سیگنال‌های دیجیتال