Reconfigurable Computing - Cheatsheet

Grundlagen von FPGAs: Aufbau, Funktion und Architektur

Definition:

Grundlegende Struktur und Arbeitsweise von Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs)

Details:

• Aufbau: Besteht aus rekonfigurierbaren Logikblöcken (CLBs), die über programmierbare Verbindungsnetzwerke verbunden sind.
• Funktion: Ermöglicht hardwarebasierte parallele Verarbeitung. Programme werden mittels Hardwarebeschreibungssprachen (HDLs) erstellt und in die FPGA-Architektur geladen.
• Architektur: Enthält konfigurierbare Logikblöcke (CLBs), programmierbare Verbindungsnetzwerke, Ein-/Ausgabe-Blöcke (IOBs), Speicherblöcke und häufig Spezialkomponenten wie DSPs und PLLs.
• Konfigurierbare Logikblöcke (CLBs): Enthalten Look-Up-Tables (LUTs), Flip-Flops und Multiplexer, die konfiguriert werden können, um verschiedene logische Funktionen umzusetzen.
• Programmierbare Verbindungsnetzwerke: Ermöglichen die Verbindung zwischen den CLBs und anderen Komponenten des FPGAs.
• Anwendung: Hohe Flexibilität für verschiedene Anwendungen wie digitale Signalverarbeitung, Kommunikation und Bildverarbeitung.
• Vorteile: Wiederverwendbarkeit, kurze Entwicklungszeiten, Anpassungsfähigkeit an spezialisierte Aufgaben.

Konfigurierbare Logikblöcke: Definition, Struktur und Konfigurationsmöglichkeiten

Definition:

Konfigurierbare Logikblöcke (CLBs, Configurable Logic Blocks) bilden die Grundbausteine von FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays). Sie bestehen aus Logikgattern und Speicherzellen, deren Funktion und Verbindungen durch den Benutzer programmiert werden können.

Details:

• Struktur: Besteht aus Look-Up Tables (LUTs), Flip-Flops (FFs) und Multiplexern (MUXen).
• Konfiguration: Kann durch Einlesen einer Bitstream-Datei mittels Hardwarebeschreibungssprachen (z.B. VHDL oder Verilog) erfolgen.
• Flexibilität: Ermöglicht maßgeschneiderte Schaltungen für spezifische Aufgaben.
• Rekonfigurierbarkeit: CLBs können jederzeit neu konfiguriert werden, um unterschiedliche Funktionen zu erfüllen.
• Anwendung: Ideal für Prototyping und Einsatz in Bereichen, die eine hohe Anpassungsfähigkeit erfordern, wie Signalverarbeitung und Kommunikationssysteme.

Designflows für FPGAs: Synthese, Implementierung und Optimierung

Definition:

Prozess der Umwandlung von Hardwarebeschreibung zu funktionsfähigem FPGA-Design

Details:

• Synthese: Übersetzung von HDL (VHDL/Verilog) zu Logikschaltungen
• Implementierung: Platzierung und Verdrahtung der Logikschaltungen auf dem FPGA
• Optimierung: Verbesserung von Geschwindigkeit, Ressourcenverbrauch und Energieeffizienz
• Tools: Vivado, Quartus, Synplify
• Spezifische Schritte: High-Level Synthese, Logic Synthese, Floorplanning, Placement, Routing

Verwendung von HDLs: VHDL und Verilog im FPGA-Design

Definition:

Verwendung von Hardware Description Languages (HDLs) wie VHDL und Verilog zur Beschreibung und Implementierung von digitalen Schaltungen auf FPGAs.

Details:

• HDLs ermöglichen Beschreibung von Schaltkreisverhalten und -struktur auf hoher Abstraktionsebene.
• VHDL: Stark typisiert, beeinflusst von Ada, gut geeignet für komplexe Designs.
• Verilog: C-ähnliche Syntax, weniger strikt typisiert, schnelleres Prototyping.
• FPGA-Design: Design wird in HDL verfasst, synthetisiert und implementiert auf FPGA.
• Synthesetools: Wandeln HDL-Code in Gatter-Netzlisten um (\textit{gcc} für Hardware).
• Stärken: Hohe Flexibilität und Wiederverwendbarkeit; große Anwendergemeinschaft und Tool-Support.
• Schwächen: Steile Lernkurve, Debugging auf Hardware-Ebene komplex.
• Simulationstools: Validation von Designs vor der Implementierung (z.B. ModelSim, Vivado).

Modellierung und Simulation: Techniken und Tools zur Validierung rekonfigurierbarer Systeme

Definition:

Techniken und Tools zur Validierung rekonfigurierbarer Systeme in Reconfigurable Computing - Modellierungen und Simulationen verwendet, um Designfehler zu identifizieren und Systemverhalten zu analysieren.

Details:

• Modellierung: Erstellung eines abstrakten Modells des Systems.
• Simulation: Ausführung des Modells zur Analyse des Verhaltens.
• Validierung: Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Spezifikationen.
• Verwendete Tools: MATLAB, Simulink, VHDL/Verilog-Simulatoren.
• Techniken: Zeitliche und funktionale Simulation, Emulation.

Anwendungsgebiete von FPGAs: Telekommunikation, Medizin, Automobilindustrie, Bildverarbeitung

Definition:

FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) sind anpassbare Halbleiterbauelemente, die sich hervorragend für spezielle Anwendungen eignen, insbesondere dort, wo hohe Leistung und Flexibilität erforderlich sind.

Details:

• Telekommunikation: FPGAs werden für Signalverarbeitung, Fehlerkorrektur, Encodierung/Decodierung und Protokollverarbeitung verwendet.
• Medizin: Einsatz in Bildgebungsverfahren, Echtzeit-Datenverarbeitung und tragbaren medizinischen Geräten.
• Automobilindustrie: Verwendung in Fahrerassistenzsystemen, Motorkontrollsystemen, und Unterhaltungselektronik.
• Bildverarbeitung: Anwendung in Machine Vision, Qualitätskontrolle und Echtzeit-Bildverarbeitung.

Leistungsmerkmale und Effizienz rekonfigurierbarer Systeme: Vergleich zu festen Logikblöcken

Definition:

Vergleich der Leistungsmerkmale und Effizienz zwischen rekonfigurierbaren Systemen und festen Logikblöcken, z.B. höhere Flexibilität vs. Performance.

Details:

• Rekonfigurierbare Systeme: Anpassung der Hardware an spezifische Anforderungen
• Feste Logikblöcke: Optimierte Performance für spezifische Aufgaben
• Flexibilität vs. Effizienz: Rekonfigurierbare Systeme bieten mehr Flexibilität, feste Logik höhere Effizienz
• Nachteil rekonfigurierbarer Systeme: Höherer Ressourcenbedarf und i.d.R. geringere Taktfrequenzen
• Nachteil fester Logikblöcke: Geringere Anpassungsfähigkeit nach Herstellung
• Typische Technologien: FPGAs für rekonfigurierbare Systeme
• Beispiele für Anwendungen: Prototyping mit FPGAs vs. Serienproduktion mit ASICs

Projektbasierte Aufgaben: Praktische Anwendung von FPGAs in Teamarbeit

Definition:

Projektbasierte Aufgaben in Teamarbeit mit FPGAs beinhalten die praktische Anwendung von FPGAs zum Lösen spezifischer Problemstellungen in Informatikprojekten. Ziel ist es, theoretisches Wissen praktisch umzusetzen.

Details:

• FPGA: Field Programmable Gate Array - anpassbare Hardware
• Teamarbeit: Zusammenarbeit mit mehreren Personen
• Ziel: Lösung spezifischer Problemstellungen
• Schritte: Problemdefinition, Design, Implementierung, Test
• Tools: VHDL/Verilog, Synthesetools, Simulationstools
• Typische Anwendungen: Signalverarbeitung, Kommunikationssysteme, Beschleunigung von Algorithmen
• Bewertung: Funktionalität, Effizienz, Teamarbeit