FPGA چیست؟ کاربردها و زبان‌ های برنامه نویسی FPGA

آیا تا به حال در حوزه‌های الکترونیک فعالیتی داشته‌اید؟ یا به دنبال ساخت قطعه‌ای بوده باشید؟ یکی از قطعاتی که در خیلی از پروژه‌های الکترونیک استفاده می‌شوند میکروکنترلرها هستند. بسیاری از متخصصین تمایل دارند از مدارها و تراشه‌هایی استفاده کنند که قابلیت انجام چندین عملیات به صورت همزمان را داشته باشند. میکروکنترلر این امکان را ندارد. به همین دلیل گزینه مناسبی در این مورد نخواهند بود. در این بین انتخاب FPGA گزینه مناسبی است. FPGA در صنایع مختلف از جمله مخابرات، خودروسازی، پزشکی و نظامی به‌دلیل انعطاف‌پذیری و کارآیی بالا بسیار محبوب است. در این مقاله قصد داریم تا با FPGAها به صورت کامل آشنا شویم و به کاربردها و مزیت‌های آن نسبت به میکروکنترلرها بپردازیم.

FPGA چیست؟

FPGA  یا مدار مجتمع دیجیتال برنامه‌پذیر، نوعی از تراشه الکترونیکی است که می‌توان عملکرد آن را بعد از تولید، به دلخواه برنامه‌ریزی کرد. برخلاف تراشه‌های معمولی که تنها یک وظیفه ثابت دارند، FPGA ها این قابلیت را دارند که با استفاده از نرم‌افزار، برای انجام وظایف مختلف برنامه‌ریزی شوند. این ویژگی باعث شده که FPGA ها در بسیاری از صنایع مختلف از جمله مخابرات، خودرو، پزشکی و نظامی مورد استفاده قرار گیرند.

انجام پروژه FPGA با کمترین قیمت

این تراشه‌ها شامل تعداد زیادی بلوک‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی هستند که از طریق خطوط ارتباطی به یکدیگر متصل می‌شوند. این ساختار انعطاف‌پذیر به طراحان اجازه می‌دهد تا مدارهای دیجیتال پیچیده را بدون نیاز به ساخت تراشه‌های جدید و گران، تنها با استفاده از برنامه‌نویسی طراحی کنند. یکی از مهم‌ترین مزایای FPGA ها این است که می‌توان طراحی و برنامه‌ریزی آنها را حتی بعد از نصب در سیستم نیز تغییر داد، که این امر باعث کاهش هزینه‌ها و افزایش کارآیی می‌شود.

FPGA ها می‌توانند وظایف مختلفی مانند پردازش داده‌ها، کنترل سیستم‌های پیچیده و اجرای الگوریتم‌های پیچیده را با سرعت و دقت بالا انجام دهند. برای مثال، در سیستم‌های مخابراتی از FPGA ها برای پردازش داده‌های با سرعت بالا و در خودروها برای کنترل اجزای مختلف خودرو استفاده می‌شود. ما در این مقاله سعی کرده‌ایم تا تمام جزئیات FPGA را بررسی کنیم.

داخل تراشه FPGA چیست؟

تراشه FPGA از اجزای مختلفی تشکیل شده است. در این قسمت به بررسی هر قسمت از FPGA می‌پردازیم و نقش هر کدام را شرح می‌دهیم.

بلوک‌های منطقی قابل پیکربندی  (CLBs)

بلوک‌های منطقی قابل پیکربندی یا CLBs (Configurable Logic Blocks) هسته اصلی هر FPGA هستند. این بلوک‌ها شامل تعدادی از گیت‌های منطقی، فلاپ‌ها (فلپ‌فلاپ‌ها) و حافظه‌های کوچک هستند که می‌توانند به شکل‌های مختلفی تنظیم و پیکربندی شوند تا انواع مختلفی از مدارهای دیجیتال را پیاده‌سازی کنند. CLBs  معمولاً به‌صورت ماتریسی در سطح تراشه FPGA قرار دارند و قابلیت انجام عملیات منطقی و ترتیبی را دارند.

سوئیچ‌های قابل پیکربندی و ماتریس‌های سوئیچینگ

سوئیچ‌های قابل پیکربندی و ماتریس‌های سوئیچینگ، شبکه ارتباطی داخلی FPGA را تشکیل می‌دهند. این شبکه از خطوط ارتباطی و سوئیچ‌های قابل تنظیم تشکیل شده که امکان اتصال بین بلوک‌های منطقی و سایر اجزای تراشه را فراهم می‌کنند. ماتریس‌های سوئیچینگ به طراحان اجازه می‌دهند تا مسیرهای داده‌ای مورد نیاز را به دلخواه خود تعریف کنند و بدین ترتیب مدارهای پیچیده‌ای را با اتصال‌های خاص پیاده‌سازی کنند.

بلوک‌های حافظه

FPGA ها دارای بلوک‌های حافظه‌ای به نام بلوک‌های حافظه داخلی (Block RAM) هستند که برای ذخیره‌سازی داده‌ها و پارامترهای مورد نیاز مدارهای دیجیتال به کار می‌روند. این حافظه‌ها معمولاً به‌صورت بلوک‌های بزرگی در سطح تراشه قرار دارند و می‌توانند به‌عنوان حافظه‌های کش (Cache)، FIFO یا حافظه‌های دوپورت استفاده شوند. قابلیت پیکربندی این بلوک‌ها به طراحان امکان می‌دهد تا حافظه‌های با اندازه و ساختار مختلف را بر اساس نیاز خود تعریف کنند.

واحدهای DSP (پردازش سیگنال دیجیتال)

واحدهای DSP (Digital Signal Processing) در FPGA ها برای اجرای عملیات‌های ریاضی پیچیده و پردازش سیگنال‌های دیجیتال به کار می‌روند. این واحدها معمولاً شامل ضرب‌کننده‌ها، جمع‌کننده‌ها و شتاب‌دهنده‌های محاسباتی هستند که به طراحان اجازه می‌دهند تا عملیات‌های ریاضی سنگین را با سرعت و کارآیی بالا انجام دهند. واحدهای DSP به ویژه در کاربردهای مخابراتی، تصویری و صوتی بسیار مفید هستند.

ورودی/خروجی‌های قابل پیکربندی (IOBs)

ورودی/خروجی‌های قابل پیکربندی یا IOBs (Input/Output Blocks) مسئول مدیریت ارتباط بین FPGA و دنیای خارجی هستند. این بلوک‌ها شامل پورت‌های ورودی و خروجی متعددی هستند که می‌توانند به شکل‌های مختلفی پیکربندی شوند تا با پروتکل‌ها و استانداردهای مختلف ارتباطی سازگار باشند. IOBs همچنین شامل بافرها و مدارهای جانبی هستند که به بهبود کیفیت سیگنال‌ها و جلوگیری از تداخلات الکترومغناطیسی کمک می‌کنند.

منابع ساعت و مدیریت توان

FPGA ها شامل منابع ساعت داخلی و شبکه‌های توزیع ساعت هستند که وظیفه تولید و توزیع سیگنال‌های ساعت به بخش‌های مختلف تراشه را بر عهده دارند. این منابع ساعت قابل پیکربندی هستند و به طراحان امکان می‌دهند تا فرکانس‌های ساعت مورد نیاز را تنظیم کنند. علاوه بر این، FPGAها دارای بلوک‌های مدیریت توان هستند که به بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش گرمای تولیدی تراشه کمک می‌کنند.

مطلب پیشنهادی: الگوریتم ژنتیک چیست؟

کاربردهای FPGA

تراشه‌های FPGA با قابلیت برنامه‌ریزی مجدد و انعطاف‌پذیری بالا، به مهندسان و طراحان کمک می‌کنند تا مدارهای پیچیده دیجیتال را با کارایی و سرعت بالا پیاده‌سازی کنند.

حوزه مخابرات

در حوزه مخابرات، FPGA ها نقش حیاتی در پردازش سیگنال‌های دیجیتال ایفا می‌کنند. این تراشه‌ها قادرند الگوریتم‌های پیچیده پردازش سیگنال را با سرعت بالا اجرا کنند و عملکرد سیستم‌های مخابراتی را بهبود بخشند. FPGA ها به عنوان پردازنده‌های اصلی در تجهیزات شبکه‌های نسل جدید مانند اینترنت 5G به کار می‌روند و با مدیریت داده‌ها و بهینه‌سازی شبکه‌ها، کیفیت ارتباطات را افزایش می‌دهند. استفاده ازFPGA ها در ایستگاه‌های پایه و تجهیزات انتقال داده، سرعت و پایداری شبکه‌های مخابراتی را تضمین می‌کند. شما می‌توانید در صورتی که نیاز به انجام پروژه مخابرات دارید با ثبت پروژه خود به صورت رایگان، در اسرع وقت با متخصصین این حوزه ارتباط برقرار کنید.

صنایع خودروسازی

در صنایع خودروسازی، FPGA ها به‌دلیل سرعت بالا و قابلیت پردازش موازی، در کنترل سیستم‌های پیچیده و حیاتی خودروها استفاده می‌شوند. از سیستم‌های ترمز ضد قفل (ABS) تا سیستم‌های پیشرفته کمک راننده (ADAS)، FPGA ها با پردازش سریع داده‌ها و واکنش به موقع، ایمنی خودروها را افزایش می‌دهند. در خودروهای برقی و هیبریدی، FPGA ها به مدیریت و بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک کرده و عملکرد سیستم‌های الکتریکی خودرو را بهتر می‌کنند.

حوزه پزشکی

در حوزه پزشکی، FPGA ها به‌دلیل توانایی پردازش سریع داده‌ها و اجرای الگوریتم‌های پیچیده، در تجهیزات تشخیصی و درمانی پیشرفته به کار می‌روند. از دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی مانند MRI و CT تا دستگاه‌های مانیتورینگ بیمار، FPGA ها با ارائه دقت و سرعت بالا، به بهبود کیفیت خدمات پزشکی کمک می‌کنند. این تراشه‌ها همچنین در توسعه دستگاه‌های پوشیدنی و تجهیزات پزشکی خانگی نقش بسزایی دارند.

صنعت نظامی و هوافضا

در صنعت نظامی و هوافضا، FPGA ها به‌علت مقاومت در برابر شرایط سخت و قابلیت اطمینان بالا، در سیستم‌های راداری، ناوبری و ارتباطی استفاده می‌شوند. این تراشه‌ها با ارائه عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های چالش‌برانگیز، به بالا بردن امنیت سیستم‌های نظامی و هوافضا کمک می‌کنند. FPGA ها همچنین در توسعه سیستم‌های پیشرفته جنگ الکترونیک و پهپادها به کار می‌روند.

پردازش داده‌های بزرگ و هوش مصنوعی

در عصر داده‌های بزرگ و هوش مصنوعی، FPGAها به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های محاسباتی قدرتمند مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تراشه‌ها با پردازش موازی و قابلیت پیکربندی مجدد، به اجرای سریع الگوریتم‌های پیچیده یادگیری ماشین و تحلیل داده‌ها کمک می‌کنند. در دیتاسنترها و مراکز پردازش ابری، FPGA ها با افزایش سرعت پردازش و کاهش مصرف انرژی، کارآیی سیستم‌ها را بهبود می‌بخشند.

زبان ها و ابزارهای برنامه نویسی FPGA

از زبان‌های متفاوتی در برنامه‌نویسی FPGA استفاده می‌شود. در این بخش به بررسی زبان‌های برنامه‌نویسی FPGA پرداخته‌ایم.

VHDL (VHSIC Hardware Description Language)

VHDL یکی از زبان‌های توصیف سخت‌افزار است که برای طراحی و شبیه‌سازی مدارهای دیجیتال استفاده می‌شود. این زبان بسیار قدرتمند و انعطاف‌پذیر است و به طراحان اجازه می‌دهد تا رفتار مدارها را با دقت بالا توصیف کنند. VHDL برای پروژه‌های بزرگ و پیچیده مناسب است و به‌دلیل ساختار قوی و توانایی مدیریت پروژه‌های بزرگ، در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انجام پروژه VHDL با کمترین هزینه

Verilog

Verilog یکی دیگر از زبان‌های توصیف سخت‌افزار است که به‌ویژه در صنعت الکترونیک دیجیتال محبوبیت زیادی دارد. این زبان نسبت به VHDL ساده‌تر و خواناتر است و برای طراحی‌های سریع و پروتوتایپینگ مناسب است. Verilog به‌طور گسترده در پروژه‌های FPGA و ASIC (مدارهای مجتمع با کاربرد خاص) استفاده می‌شود و به طراحان کمک می‌کند تا مدارهای دیجیتال را به سرعت و کارایی بالا پیاده‌سازی کنند.

انجام پروژه Verilog با کمترین هزینه

SystemVerilog

SystemVerilog به‌عنوان یک گسترش از Verilog، امکانات و قابلیت‌های بیشتری را برای طراحی و شبیه‌سازی مدارهای دیجیتال فراهم می‌کند. این زبان ترکیبی از ویژگی‌های Verilog و زبان‌های سطح بالا مانند C++ را ارائه می‌دهد و برای پروژه‌های بزرگ و پیچیده بسیار مناسب است. SystemVerilog به‌طور گسترده در طراحی‌های FPGA و ASIC مورد استفاده قرار می‌گیرد.

Xilinx Vivado

Xilinx Vivado  یکی از پرکاربردترین ابزارهای طراحی و برنامه‌نویسی FPGA است که توسط شرکت Xilinx توسعه یافته است. این ابزار شامل مجموعه‌ای کامل از امکانات برای طراحی، شبیه‌سازی و پیاده‌سازی مدارهای دیجیتال است.Vivado  از زبان‌های VHDL و Verilog پشتیبانی می‌کند و با ارائه محیطی گرافیکی و کاربرپسند، به طراحان امکان می‌دهد تا به سرعت و با دقت بالا مدارهای خود را پیاده‌سازی کنند.

Intel Quartus Prime

Intel Quartus Prime یکی دیگر از ابزارهای قدرتمند برای طراحی و برنامه‌نویسی FPGA است که توسط شرکت Intel (Altera) توسعه یافته است. این ابزار نیز از زبان‌های VHDL و Verilog پشتیبانی می‌کند و شامل امکانات گسترده‌ای برای شبیه‌سازی و پیاده‌سازی مدارهای دیجیتال است. Quartus Prime با ارائه محیطی جامع و یکپارچه، به طراحان کمک می‌کند تا پروژه‌های خود را به‌صورت موثر و کارآمد مدیریت کنند.

ModelSim

ModelSim  یک ابزار شبیه‌سازی و تحلیل مدارهای دیجیتال است که توسط Mentor Graphics توسعه یافته است. این ابزار از هر دو زبان VHDL و Verilog پشتیبانی می‌کند و به طراحان امکان می‌دهد تا رفتار مدارهای خود را در شرایط مختلف شبیه‌سازی و بررسی کنند. ModelSim با ارائه امکانات پیشرفته تحلیل و دیباگ، به بهبود کیفیت و دقت طراحی‌های FPGA کمک می‌کند.

Vivado HLS (High-Level Synthesis)

Vivado HLS ابزاری پیشرفته از شرکت Xilinx است که به طراحان امکان می‌دهد تا مدارهای دیجیتال را با استفاده از زبان‌های سطح بالا مانند C و C++ طراحی کنند. این ابزار با تبدیل کدهای سطح بالا به توصیف‌های سخت‌افزاری قابل پیکربندی، فرآیند طراحی را ساده‌تر و سریع‌تر می‌کند. Vivado HLS به‌ویژه برای طراحانی که با زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا آشنایی دارند، بسیار مفید است.

مطلب پیشنهادی: برنامه نویسی شی گرا چیست؟

تفاوت FPGA و میکروکنترلر چیست؟

FPGA  و میکروکنترلر دو نوع از پرکاربردترین تراشه‌های الکترونیکی هستند که در طراحی و توسعه سیستم‌های دیجیتال به کار می‌روند. هر چند که هر دو به منظور کنترل و اجرای وظایف مختلف در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند، تفاوت‌های اساسی بین آنها وجود دارد که باعث می‌شود هر کدام برای کاربردهای خاصی مناسب باشند.

تفاوت ساختار و معماری FPGA و میکروکنترلر

FPGA  یک تراشه دیجیتال است که از بلوک‌های منطقی قابل برنامه‌ریزی تشکیل شده است. این بلوک‌ها می‌توانند با استفاده از ابزارهای نرم‌افزاری، به‌گونه‌ای تنظیم شوند که وظایف مختلفی را انجام دهند. معماری FPGA بسیار انعطاف‌پذیر است و به طراحان اجازه می‌دهد تا مدارهای دیجیتال پیچیده را بر اساس نیازهای خاص خود طراحی و پیاده‌سازی کنند.

میکروکنترلر یک تراشه مجتمع است که شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه (RAM و ROM) ، و ورودی/خروجی‌های (I/O) متنوع است. معماری میکروکنترلرها به‌گونه‌ای طراحی شده است که بتواند وظایف مشخص و معمولاً ساده‌تری را به‌طور پیوسته اجرا کند. میکروکنترلرها به‌دلیل ساختار یکپارچه و قابلیت‌های متعدد خود، در برنامه‌های کنترلی و سیستم‌های جاسازی شده (Embedded Systems) بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تفاوت برنامه‌نویسی و توسعه در FPGA و میکروکنترلر

برنامه‌نویسی FPGA ها از طریق زبان‌های توصیف سخت‌افزار مانند VHDL و Verilog انجام می‌شود. این زبان‌ها به طراحان اجازه می‌دهند تا ساختار داخلی و رفتار مدارهای دیجیتال را به دقت توصیف کنند. فرآیند توسعه FPGA  شامل طراحی، شبیه‌سازی، سنتز و پیاده‌سازی بر روی تراشه است. ابزارهای نرم‌افزاری مانند Xilinx Vivado و Intel Quartus Prime به طراحان کمک می‌کنند تا این مراحل را به‌صورت یکپارچه و کارآمد انجام دهند.

برنامه‌نویسی میکروکنترلرها معمولاً با استفاده از زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالا مانند C و C++ انجام می‌شود. توسعه برنامه‌ها برای میکروکنترلرها شامل نوشتن کد، کامپایل کردن آن و بارگذاری بر روی تراشه است. ابزارهای توسعه متعددی مانند Arduino IDE، MPLAB X  و Keil μVision برای برنامه‌نویسی و دیباگ میکروکنترلرها موجود هستند. این ابزارها محیطی ساده و کاربرپسند برای توسعه سریع و کارآمد برنامه‌های میکروکنترلری فراهم می‌کنند.

مطلب پیشنهادی: الگوریتم گله اسب چیست؟

نتیجه‌گیری

در نتیجه، FPGA یا مدار مجتمع دیجیتال برنامه‌پذیر، یکی از ابزارهای کلیدی در دنیای الکترونیک و طراحی دیجیتال است که با ارائه انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت پیکربندی مجدد، به مهندسان و طراحان کمک می‌کند تا مدارهای پیچیده و متنوعی را پیاده‌سازی کنند. این تراشه‌ها در بسیاری از صنایع از جمله مخابرات، خودروسازی، پزشکی و نظامی به کار می‌روند و با ارائه کارآیی و سرعت بالا، نقش مهمی در توسعه فناوری‌های پیشرفته ایفا می‌کنند. آشنایی با ساختار داخلی و کاربردهای FPGA، به طراحان کمک می‌کند تا از این ابزار قدرتمند به بهترین نحو استفاده کنند و راه‌حل‌های نوآورانه‌ای برای چالش‌های مختلف ارائه دهند. همچنین در صورتی که نیاز به انجام پروژه FPGA داشتید، می‌توانید از متخصصان حرفه‌ای کارلنسر در این حوزه راهنمایی بگیرید.