Начало работы с программированием FPGA с использованием Python

Программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) — это мощные и гибкие аппаратные устройства, которые можно настроить для выполнения различных задач путем программирования их внутренних цепей. Традиционно программирование FPGA опиралось на языки описания оборудования (HDL), такие как Verilog и VHDL, которые специально разработаны для проектирования оборудования, но могут быть сложными для разработчиков программного обеспечения. С появлением MyHDL вы теперь можете использовать Python для написания аппаратной логики и конвертировать ее в Verilog или VHDL, что упрощает развертывание на FPGA.

В этой статье  мы покажем вам, как использовать Python и MyHDL для создания базового проекта программирования FPGA. Мы надеемся, что этот урок поможет новичкам преодолеть барьеры на пути к программированию FPGA!

Введение в MyHDL

MyHDL — это библиотека Python с открытым исходным кодом, которая обеспечивает возможности описания оборудования. Она позволяет пользователям описывать цифровую логику с помощью синтаксиса Python, а затем преобразовывать код в Verilog или VHDL для синтеза FPGA. Основные преимущества использования MyHDL включают:

• Снижение барьера для входа: код Python легче читать и писать, что делает программирование оборудования более доступным для новичков.
• Быстрое прототипирование: MyHDL предоставляет возможности моделирования и тестирования, которые могут ускорить процесс проверки проекта.
• Гибкая интеграция: MyHDL можно легко интегрировать с другими инструментами Python, что делает его удобным для совместного проектирования оборудования и программного обеспечения.

2. Настройка среды: установка MyHDL

Чтобы начать работу с MyHDL, вам необходимо установить Python на вашем компьютере, желательно версии 3.x или выше. Вы можете установить MyHDL с помощью pip:

pip install myhdl

После установки MyHDL вы готовы приступить к написанию и моделированию аппаратной логики.

3. Реализация простого светодиодного мигающего сигнала

Светодиодный мигающий индикатор — классический вводный проект в программирование FPGA. В этом проекте мы создадим простую схему, которая заставит светодиод мигать в соответствии с тактовым сигналом.

1. Определите логику мигания светодиода

В конструкции FPGA тактовый сигнал используется для синхронизации событий. Мы будем использовать этот тактовый сигнал для включения и выключения светодиода через заданные интервалы времени.

from myhdl import block, always_seq, Signal, intbv

@block
def led_blinker(clock, led):
    # Define a counter to control the LED blinking speed
    counter = Signal(intbv(0)[24:])  # 24-bit counter

    @always_seq(clock.posedge, reset=None)
    def blink():
        # Toggle LED state when the counter reaches its maximum value
        if counter == counter.max - 1:
            led.next = not led
            counter.next = 0
        else:
            counter.next = counter + 1

    return blink

В этом коде:

led_blinker — это блок MyHDL, описывающий поведение мигания светодиода. Декоратор always_seq определяет синхронизированный с часами процесс, который проверяет значение счетчика каждый раз, когда повышается тактовый сигнал. Если счетчик достигает максимального значения, состояние светодиода переключается, и счетчик сбрасывается.

2. Запуск симуляции

MyHDL позволяет вам моделировать вашу конструкцию непосредственно на Python, устраняя необходимость в сложном программном обеспечении для моделирования FPGA.

from myhdl import Simulation, delay, instance

# Define signals for clock and led
clock = Signal(0)
led = Signal(0)

# Instantiate the LED blinker
blink_inst = led_blinker(clock, led)

# Define a clock generator
@instance
def clock_gen():
    while True:
        clock.next = not clock
        yield delay(10)  # Toggle clock every 10 time units

# Run the simulation
sim = Simulation(blink_inst, clock_gen)
sim.run(200)  # Simulate for 200 time units

В этом коде:

clock_gen имитирует тактовый сигнал, переключая тактовый сигнал каждые 10 единиц времени. sim.run(200) запускает симуляцию, позволяя нам наблюдать за поведением мигания светодиода.

3. Преобразование в Verilog или VHDL

Как только вы будете удовлетворены результатами моделирования, вы можете преобразовать свой код MyHDL в файл Verilog или VHDL для синтеза FPGA:

from myhdl import toVerilog

# Convert the LED blinker to Verilog
toVerilog(led_blinker, clock, led)

В результате будет создан файл Verilog, который можно импортировать в инструменты разработки FPGA (например, Xilinx Vivado или Intel Quartus) для синтеза и развертывания.

4. Расширение приложений: моделирование большего количества логики с помощью Python

MyHDL поддерживает более сложные проекты, такие как модули обработки данных, фильтры и конечные автоматы. Вы можете использовать мощные библиотеки Python и тестовые фреймворки для проверки сложных проектов. После освоения базового светодиодного мигающего индикатора вы можете постепенно попробовать следующие проекты:

• Схема счетчика: создайте двоичный счетчик, который увеличивается с каждым тактовым циклом.
• Управление ШИМ: реализуйте схему ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления яркостью светодиодов.
• Простой ЦП: спроектируйте упрощенное ядро ​​ЦП, чтобы понять основные компоненты и работу процессоров.

Заключение

MyHDL — это отличный инструмент для новичков, желающих войти в мир программирования FPGA. Используя Python, вы можете описывать аппаратную логику более интуитивно и проверять ее с помощью возможностей моделирования Python. Такой подход не только ускоряет процесс прототипирования, но и делает разработку FPGA более увлекательной и удобной для пользователя.

Python + MyHDL подходит для вводных проектов, а также может быть очень полезен для более сложной разработки FPGA. Мы надеемся, что этот урок открыл вам новые двери в программировании FPGA!