C üzerinde Verilog veya VHDL kullanma motivasyonu nedir?

Programlama geçmişinden geliyorum ve donanım veya bellenimle çok fazla uğraşmadım (en azından biraz elektronik ve Arduino).

Verilog ve VHDL gibi donanım tanımlama dillerini (HDL) C veya bazı Assembly gibi programlama dillerinde kullanmadaki motivasyon nedir?

Bu mesele hiç bir seçim midir?

Ürün yazılımının bir HDL'de yazıldığı donanımın, talimatların paralel olarak çalıştırılmasında açık bir avantajı olduğunu okudum. Ancak, C veya Assembly'de bellenim yazma konusunda şüpheleri ifade eden tartışmaları gördüğüme şaşırdım (mutlaka bir CPU'nuz yoksa Meclis nasıl uygundur?) Ama aynı zamanda bir seçenek olduğu sonucuna vardım.

Bu nedenle, birkaç sorum var (hiçbir şeyi açıklamaktan çekinmeyin):

1. Bir bellenim gerçekten HDL veya bir yazılım programlama dilinde yazılabilir mi, yoksa aynı görevi gerçekleştirmenin başka bir yolu mu? Gerçek dünyadaki örneklere bayılırım. Her bir seçenek ne gibi kısıtlamalar doğurur?

2. Yazılım üzerinde ortak bir yazılım kullanımının donanım hızlandırıcılarında (GPU'lar, ağ bağdaştırıcıları, SSL hızlandırıcıları, vb.) Olduğunu biliyorum. Anladığım kadarıyla, bu hızlanma her zaman gerekli değildir, ancak sadece önerilir (örneğin, SSL ve karmaşık algoritmaların hızlandırılması durumunda). Her durumda yazılım ve yazılım arasında seçim yapılabilir mi? Değilse, bellenimin açıkça ve kesin olarak uygun olduğu durumlardan memnun olurum.

3. Ürün yazılımının çoğunlukla ROM veya flash üzerinde yandığını okudum. Orada nasıl temsil edilir? Bit gibi, yazılım gibi mi? Eğer öyleyse, derin fark nedir? Aygıt yazılımı durumunda uyarlanmış devrelerin kullanılabilirliği var mı?

Sanırım burada ve bazı varsayımlarda bir hata yaptım, lütfen beni affet. Teşekkür ederim!

Verilog ve VHDL gibi donanım tanımlama dillerini (HDL) C veya bazı Assembly gibi programlama dillerinde kullanmadaki motivasyon nedir?

C ve montaj, bir CPU'ya ne yapılacağını söylemek için iyi dillerdir. Tek durumlu bir makine tarafından sırayla yapılacak eylemleri tanımlarlar.

HDL'ler, dijital devrelerin keyfi bir koleksiyonunu tanımlamak veya tanımlamak için iyi dillerdir. Programlama dillerinin yapamayacağı şekilde paralel olarak yapılan işlemleri ifade edebilirler. Ayrıca, bloklar arasındaki arabirimler için programlama dillerinin zamanlama sınırlamalarını programlama dillerinin yapamayacağı şekilde tanımlayabilirler.

C veya Assembly'de bellenim yazma konusunda şüpheleri ifade eden tartışmaları gördüğüme şaşırdım (mutlaka bir CPU'nuz yoksa Meclis nasıl uygundur?)

Bu soruda, "Mikrodenetleyici için kod yazıyorsanız, derleme veya C veya başka bir üst düzey dilde yazarsanız gerçek bir fark var mı?" Sorusu sorulur.

Özellikle mikrodenetleyicili (çevre birimleri olan bir CPU) sistemler hakkında sorular sorduğundan, C veya montaj hem firwmare gelişimi için makul seçimlerdir hem de HDL'ler değildir.

Bir bellenim gerçekten HDL veya bir yazılım programlama dilinde yazılabilir mi, yoksa aynı görevi gerçekleştirmenin başka bir yolu mu?

Ne tür bir donanıma sahip olduğunuza bağlıdır. CPU'nuz varsa, bir programlama dili kullanın. Bir FPGA'nız varsa veya bir ASIC tasarlıyorsanız, bir HDL kullanın. Çok büyük miktarda dijital mantık tasarlıyorsanız, SystemVerilog gibi ara dillerden birine bakabilirsiniz.

Ürün yazılımının çoğunlukla ROM veya flash üzerinde yandığını okudum. Orada nasıl temsil edilir? Bit gibi, yazılım gibi mi? Eğer öyleyse, derin fark nedir? Aygıt yazılımı durumunda uyarlanmış devrelerin kullanılabilirliği var mı?

Bence "firmware" terimine asılıyorsunuz. Bu kelime aslında kodun gömülü bir sistemde çalıştırılması anlamına geliyordu ve bu son kullanıcının değiştirmesi mümkün değildi. Birini bir PC sattıysanız, kullanıcının üzerinde çalıştığı yazılımı değiştirme olasılığı çok yüksektir. Onlara bir osiloskop sattıysanız, dahili mikroişlemcide çalışan kodu değiştirmelerini istemezsiniz, bu yüzden ona firmware adını verdiniz.

FPGA kullanıcıları, donanımlarının (birlikte lehimlenen şeyler) daha değiştirilebilir olduğu için tasarımlarının çıktısı için "bellenim" kelimesini kullandılar. Ama gerçekten bir FPGA konfigüre eden "bellenim" bir uC üzerinde çalışan "bellenim" den farklıdır. uC ürün yazılımı, işlevini gerçekleştirmek için uC'yi bir dizi durum boyunca yönlendirir. FPGA sabit yazılımı, mantık elemanları ile arama tablolarında saklanacak değerler arasında bir dizi ara bağlantı tanımlar.

Her iki durumda da, bellenim genellikle bir eepromda (veya yerleşik sistem her başlatıldığında yüklenen bir ana bilgisayardaki diskte) bit olarak depolanır. Ama bu onları birbirine benzetmiyor.

Sorunuzun ilk kısmı için, birini veya diğerini kullanma motivasyonları hakkında: C ve HDL'ler (VHDL / Verilog) arasında temel bir fark vardır . C bir yazılım programlama dilidir (montaj olduğu gibi), VHDL / Verilog donanım tanımlama dilleridir. Aynı amaç için değiller.

C derlendiğinde montaj koduna (ikili biçiminde, yani makine dilinde) çevrilir . Bu kod, CPU'ya bir dizi temel işlem yapmasını (bir kayıt değerini değiştirme, bir ekleme yapma vb.) Söyleyen bir dizi talimattır.

Öte yandan, bir HDL donanıma sentezlenir . VHDL'de örneğin şöyle bir şey yazabilirsiniz:

output <= input1 + input2;

(ayrıca burada daha eksiksiz bir örneğe bakın ). Bu bir (donanım) toplayıcısına sentezlenir. Kod bir FPGA için sentezlenirse , bu, belirli FPGA'yı bir toplayıcı ( kombinasyonel mantık olarak ) uygulamak üzere yapılandırabilen bir bit akışı anlamına gelir .

Aslında, VHDL'de bir CPU tasarlayabilir (bkz. Soft core Processors VS Hard core Processors ) ve bunun için yazılımı C ...

Ürün yazılımı hakkında: aslında her şey kelimeyi nasıl tanımladığınıza bağlıdır. Bir bellenim , bir mikro denetleyicide çalışan bir program (yazılım) olabilir (bu nedenle örneğin C veya montajcıda yazılır) veya programlanabilir (donanım) bir mantık aygıtını (CPLD veya FPGA) yapılandırmak için bir bit akımı olabilir. Bazen her ikisini de içeren bir paket olabilir: bazı FritzBox modelleri (bir ADSL modem) için ürün yazılımını alırsanız, aslında bütün bir Linux sistemi (montajcı, C ve diğer birçok programlama dilinde yazılmış) ve bir bit akışı içerirler. bir FPGA yapılandırın (muhtemelen VHDL veya Verilog'dan sentezlenir).

1. Bu, mimarinize bağlıdır. Bir CPU'nuz (veya tipik olarak bir Mikrodenetleyici) varsa, ürün yazılımını normal bir programlama dilinde (montaj dahil) yazmanız gerekir. FPGA gibi bir şeyiniz varsa, ürün yazılımınızın bir HDL'de yazılması gerekir. HDL'ler (bildiklerime göre) geleneksel bir CPU tarafından verimli bir şekilde yürütülebilen programlar üretemez ve bir FPGA geleneksel programları kutudan çıkarmaz. Bununla birlikte, FPGA'nızı bir CPU olarak yapılandırabilir ve daha sonra bununla geleneksel bir program yürütebilirsiniz. Bu, iki katman ürün yazılımı gerektirir: alt katman CPU'yu oluşturmak için bir HDL'de yazılır ve daha yüksek katman bu CPU'da yürütmek için geleneksel bir programlama dilinde yazılır.
2. Ürün yazılımı ile yazılım arasında zor bir ayrım yoktur. Birçok cihazda, ürün yazılımı örneğin flash bellekte depolanır, ancak modern bir telefonda, hemen hemen her şey flash bellekte depolanır ve ürün yazılımı ile yazılım arasındaki fark belirsizdir (çoğu insan büyük bant işlemcisi ürün yazılımını programlamak için kodu düşünür) ve çoğu insan uygulama programları yazılımını düşünür, ancak kesin sınır nerede?).
3. 2'de söylediğim gibi, bellenimin biraz daha kalıcı olduğu fikri dışında net bir ayrım yoktur.

Donanım eşzamanlılığı büyük bir motivasyon.

Elektronlar aynı anda paralel kablolarda akabilir, bu nedenle donanım tasarlarken bunu dikkate almak istiyoruz.

VHDL'de, şöyle bir şey yazarsanız:

x <= a or b;
y <= a and b;
z <= x xor y;

( açıkça processveya functionardışık olarak işaretleyen bir veya dışında ), o zaman şu gerçeği kodladınız:

• x, y, z, aVe bkablolardır
• ave bgiriş sinyalleri
• xgiriş olarak ve giriş olarak bir ordevrenin çıkışına bağlanırab
• ve diğer hatlar için

O gerçek donanım içine sentezlenmiş ve bu nasıl görmek kolaydır xve yaynı zamanda değerlendirilir.

        +-----+
A--+----+     |  X
   |    | OR  +-----+
B----+--+     |     |  +-----+
   | |  +-----+     +--+     |
   | |                 | XOR +-- Z
   | |  +-----+     +--+     |
   | +--+     |  Y  |  +-----+
   |    | AND +-----+
   +----+     |
        +-----+

Daha sonra, zaman devresi simüle ettiğinde, simülatör (genellikle sıralı bir programdır) devrenin fiziğini şöyle bir simüle eder:

• vardır aya bdeğişti? Evet? Hey, xbağlıdır a. Güncelleyelim x.
• yayrıca bağlıdır a. Bunu da güncelleyin.
• zbağlıdır x. Güncellendiği için xgüncelleyin.
• şey vardır x(bağlıdır aya b) güncellendi? Hayır? Aynı için yve z. Tamam, bu adımla işimiz bitti.

Bu, ardışık analogu olmayan, ancak olası fiziksel durumları temsil eden "ilginç" olası sonuçlara yol açar:

• x <= not xsimülasyonun sonsuz bir şekilde tekrarlanmasına yol açacaktır. Simülatörler sadece belirli bir derinlikten sonra kesebilirler.
• x <= 0; x <= 1hataya neden olur (kısa devre). Bu nedenlerden biri neden std_logicyoktur.

Yine de, VHDL donanımı C'den daha yakından modellese de, bunun ayrıntılı bir açıklaması değildir:

• sadece VHDL'nin bir alt kümesi sentezlenebilir
• birçok fiziksel basitleştirme yapılır, özellikle sinyaller sonsuz hızla yayılır, bkz. https://en.wikipedia.org/wiki/Static_timing_analysis TODO Verilog'da gecikmeleri modellemek belki mümkündür: http://www.asic-world.com /verilog/gate3.html#Gate_and_Switch_delays

Sonunda VHDL, üst düzey insan tarafından anlaşılabilir devre işlevselliği ile daha düşük düzey sentezlenebilirliği arasında güzel bir denge sağlar.

C ise CPU ile sırayla konuşmaya daha fazla odaklanmıştır.

Elbette bir devreyi C yapıları, sıralamalar ve dizilerle kodlayabilir ve daha sonra tıpkı VHDL'nin yaptığı gibi simüle edebilirsiniz (bu , Sistem C'nin yaptığı gibi aşağı yukarı görünüyor , ancak hiç denemedim).

Ama aslında bir VHDL simülatörünü ve daha ayrıntılı bir dille yeniden uygularsınız. Doğru iş için doğru araç sanırım.

Orada dönüştürme C VHDL için araçları da vardır /programming/8988629/can-you-program-fpgas-in-c-like-languages ancak bu sert üst düzey dönüşümler beri alt performans bekliyoruz.

HDL'ler, programlama dili olarak zaten sentezlenmiş donanımı yani cpu'yu programlamak için kullanılan donanımı tanımlamak (sentezlemek) için kullanılır.

Bir cpu'yu bir FPGA üzerinde sentezlemek için cpus'un yumuşak çekirdek sürümlerini VHDL veya bit akışı olarak alabilirsiniz.

Bir işlemci, bileşenlerin çoğunun farklı zamanlarda farklı işlemler gerçekleştirmek için kullanılmasına izin vererek, çok sayıda işlemi sırasıyla gerçekleştirmek için mütevazı miktarda devre kullanır.

Bir FPGA - en azından bireysel olarak - özellikle sofistike operasyonlar gerçekleştiremeyen, ancak hepsi aynı anda ve bağımsız olarak hareket edebilen bir dizi devre içerir.

Birinin, 15 girişi izlemek ve bir dizi görevi yerine getirmek için bir çip olmasını istediğini varsayalım:

• Tüm girişler en az 21 ms boyunca sabit kaldığında ve yüksek girişlerin sayısının üçün katı olduğu her zaman yüksek bir çıkış ayarlamak
• Tüm girişler en az 21 ms boyunca sabit kaldığında ve düşük giriş sayısı üçten fazla olmadığında, çıkış düşük olarak ayarlanır
• Herhangi bir girişin değiştiği zaman ile tüm girişlerin en az 20 ms boyunca sabit kaldığı zaman arasında çıkışın keyfi bir şekilde değiştirilmesi.

Birinin başka şeyler yapan bir mikro denetleyicisi varsa, ancak bu girişleri incelemek ve çıkışı ayarlamak için her 20 ms'de bir kaç mikrosaniye ayırabiliyorsa, mikro denetleyicinin diğer görevleri yerine getirmek için kullandığı devrenin çoğu da belirtilen görevi yerine getirmek için kullanılabilir yukarıda, bu göreve çok az devrenin (bazı ROM ve belki RAM dışında) ayrılması gerekecektir. Öte yandan, bir girişin değiştiği zaman ile çıktının onu uygun şekilde yansıttığı zaman arasında bir süre geçmesi gerekebilir.

Verilog veya VHDL kullanılarak, 15 girişi sürekli olarak izleyebilen ve belirtilen hesaplamayı gerçekleştirebilen bir donanım devresi inşa edilebilir. Böyle bir cihaz muhtemelen çıkışın 100ns içinde - mikrodenetleyiciden daha büyük büyüklük sıraları içinde - doğru bir gösterge üretmesini sağlayabilir, ancak bu göreve adanmış ve başka herhangi bir amaç için kullanılamaz devre miktarı çok daha büyük olacaktır.