On the way to 10x engineering

Знакомство с FPGA для программиста

В торговлю заходил через острозаточенный С++, да и изначальный профиль - программирование, поэтому о железе познания были в основном теоретические. Но вот я здесь и, оказывается, самые скоростные части execution работают на FPGA, поэтому обязательно надо посмотреть что это за зверь. Сказано - сделано, учебная плата DE10-Lite куплена за $100 (сейчас стоит ~$150) и вот я уже продираюсь сквозь дебри Verilog. Железячники: прошу дальше не смеяться :).

Оказалось очень интересно, но в то же время совершенно другой мир и большие трудозатраты, ведь там с нуля нужно писать вообще всё (ну если библиотеки не покупать). То есть если хочешь например что-то вывести на экран через VGA, то нужно покурить стандарт VGA и написать свои модули для правильной генерации сигнала с точно подобранной вертикальной и горизонтальной частотой (подробнее например здесь). За что-то чуть более сложное, чем VGA, лучше вообще не браться, поэтому до чтения Ethernet пакетов дойти (пока?) не удалось :).

Открытий много. Это что же получается, в этом мире нельзя просто обратиться к памяти и взять значение, а нужно самостоятельно писать целый контроллер памяти?? Начинаешь его писать и сразу понимаешь почему L1 cache - это SRAM, а обычная память - DRAM. Вкратце, ячейка SRAM - это 6 транзисторов, а DRAM - транзистор и конденсатор. SRAM значительно быстрее, но больше размером и дороже из-за количества транзисторов. DRAM - меньше и дешевле, но тормознее, а ещё из-а того, что конденсатор "течёт", её надо регулярно перезаряжать. Вот реально - сидишь ты, значит, в контроллере памяти, схватился за сигнал от генератора тактовой частоты и раз в N периодов вешаешь на дверь табличку "обед", читаешь каждую ячейку памяти и тут же записываешь её обратно.

Если раньше технические подробности про память из WEPSKAM были чем-то абстрактным, то после работы со своим проектом для FPGA (и особенно после отладки) спинным мозгом начинаешь чувствовать как оно всё работает. Периодически вспоминалось изучение ассемблера для 8086 и становилось понятным почему в этом процессоре что-то было сделано именно так, а не иначе.

Часто учить FPGA начинают с реализации RISC-V процессора. Его преимущество в том, что спецификация открытая, инструкции простые и их немного, можно реализовывать подмножества стандарта, поэтому можно делать MVP на каждой итерации - всё как мы любим. Потом пишешь программу на С++, собираешь её gcc под получившийся процессор и voilà - она работает на твоём собственном процессоре, фантастика! Был бы студентом с бесконечным временем - обязательно бы занялся сейчас.

В общем опыт весьма положительный. Для низкоуровневых программистов - рекомендую, мне показалось очень полезным.

@engineer10x

P.S.

DE-Lite, кстати, хоть карточка дешёвая и учебная, но весьма функциональная ("the board utilizes the maximum capacity MAX 10 FPGA, which has around 50K logic elements(LEs) and on-die analog-to-digital converter (ADC). It features on-board USB-Blaster, SDRAM, accelerometer, VGA output, 2x20 GPIO expansion connector, and an Arduino UNO R3 expansion connector in a compact size"). Правда проекта для применения в домашнем хозяйстве ей придумать пока так не удалось, поэтому ограничился игрушечными проектами.

www.terasic.com.tw

Terasic - DE Boards - MAX - DE10-Lite Board

- MAX 10 10M50DAF484C7G Device

- Accelerometer and 4-bit Resistor VGA 

- 64MB SDRAM, x16 bits data bus

- Arduino UNO R3 and 2x20 GPIO connector

- On-Board USB Blaster (Normal type B USB)

www.tgoop.com/engineer10x/16

542 viewsMar 2 at 09:53

Знакомство с FPGA для программиста

В торговлю заходил через острозаточенный С++, да и изначальный профиль - программирование, поэтому о железе познания были в основном теоретические. Но вот я здесь и, оказывается, самые скоростные части execution работают на FPGA, поэтому обязательно надо посмотреть что это за зверь. Сказано - сделано, учебная плата DE10-Lite куплена за $100 (сейчас стоит ~$150) и вот я уже продираюсь сквозь дебри Verilog. Железячники: прошу дальше не смеяться :).

Оказалось очень интересно, но в то же время совершенно другой мир и большие трудозатраты, ведь там с нуля нужно писать вообще всё (ну если библиотеки не покупать). То есть если хочешь например что-то вывести на экран через VGA, то нужно покурить стандарт VGA и написать свои модули для правильной генерации сигнала с точно подобранной вертикальной и горизонтальной частотой (подробнее например здесь). За что-то чуть более сложное, чем VGA, лучше вообще не браться, поэтому до чтения Ethernet пакетов дойти (пока?) не удалось :).

Открытий много. Это что же получается, в этом мире нельзя просто обратиться к памяти и взять значение, а нужно самостоятельно писать целый контроллер памяти?? Начинаешь его писать и сразу понимаешь почему L1 cache - это SRAM, а обычная память - DRAM. Вкратце, ячейка SRAM - это 6 транзисторов, а DRAM - транзистор и конденсатор. SRAM значительно быстрее, но больше размером и дороже из-за количества транзисторов. DRAM - меньше и дешевле, но тормознее, а ещё из-а того, что конденсатор "течёт", её надо регулярно перезаряжать. Вот реально - сидишь ты, значит, в контроллере памяти, схватился за сигнал от генератора тактовой частоты и раз в N периодов вешаешь на дверь табличку "обед", читаешь каждую ячейку памяти и тут же записываешь её обратно.

Если раньше технические подробности про память из WEPSKAM были чем-то абстрактным, то после работы со своим проектом для FPGA (и особенно после отладки) спинным мозгом начинаешь чувствовать как оно всё работает. Периодически вспоминалось изучение ассемблера для 8086 и становилось понятным почему в этом процессоре что-то было сделано именно так, а не иначе.

Часто учить FPGA начинают с реализации RISC-V процессора. Его преимущество в том, что спецификация открытая, инструкции простые и их немного, можно реализовывать подмножества стандарта, поэтому можно делать MVP на каждой итерации - всё как мы любим. Потом пишешь программу на С++, собираешь её gcc под получившийся процессор и voilà - она работает на твоём собственном процессоре, фантастика! Был бы студентом с бесконечным временем - обязательно бы занялся сейчас.

В общем опыт весьма положительный. Для низкоуровневых программистов - рекомендую, мне показалось очень полезным.

@engineer10x

P.S.

DE-Lite, кстати, хоть карточка дешёвая и учебная, но весьма функциональная ("the board utilizes the maximum capacity MAX 10 FPGA, which has around 50K logic elements(LEs) and on-die analog-to-digital converter (ADC). It features on-board USB-Blaster, SDRAM, accelerometer, VGA output, 2x20 GPIO expansion connector, and an Arduino UNO R3 expansion connector in a compact size"). Правда проекта для применения в домашнем хозяйстве ей придумать пока так не удалось, поэтому ограничился игрушечными проектами.

BY On the way to 10x engineering