FPGA वीडियो गणित समारोह पीढ़ी

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इस लेख में मैं FPGAs के विकास में अपने अनुभव के बारे में बात करना चाहता हूं और सूत्र के अनुसार एक वीडियो जनरेटर - अपनी परियोजना शुरू करना चाहता हूं।

पोस्ट का उद्देश्य

मैं एक C ++ प्रोग्रामर हूं, जो पेशेवर रूप से सिस्टम सॉफ्टवेयर के विकास और रखरखाव में लगा हुआ है। लगभग दो साल पहले, मुझे वेरिलॉग भाषा का उपयोग करके सर्किट्री का अध्ययन करके या FPGAs प्रोग्रामिंग करके अपने अनुभव में विविधता लाने की इच्छा थी। आगे, मैं आपको बताऊंगा कि इसका क्या हुआ।

काम का उद्देश्य

जेनरेटरी आर्ट की जरूरतों के लिए FPGA कंप्यूटिंग शक्ति को निर्देशित करने के लिए: उच्च रिज़ॉल्यूशन में एक जटिल सूत्र का उपयोग करके वास्तविक समय स्ट्रीमिंग वीडियो उत्पन्न करें, जिसमें उच्च फ्रेम दर है। IBNIZ को फ्रंट एंड के रूप में चुना गया था , जो डेमो पैदा करने के लिए फॉर्मूला बताने के लिए एक भाषा थी, जिसे डेमो के दृश्य के लिए वर्चुअल प्लेटफॉर्म के रूप में viznut कॉमरेड द्वारा विकसित किया गया था। पहले, मैंने FPGA पर, " मार्स रोवर " के मंच पर, उनकी खोज का एक और कार्यान्वयन किया।

सिद्धांत

सर्किटरी और प्रोग्रामिंग

मेरी राय में, प्रोग्रामर के लिए सर्किट्री विकास के लिए एक दिलचस्प संबंधित क्षेत्र है। उपकरण का विवरण, एक तरफ, कई मायनों में एक प्रोग्राम लिखने के समान है जो प्रवेश की सुविधा देता है, और दूसरी तरफ, यह एक लागू समस्या को हल करने के पूरी तरह से अलग तरीके को परिभाषित करता है, जिससे इंजीनियर को नए अवसर और अनुभव मिलते हैं। आमतौर पर हम एक प्रोग्राम लिखते हैं जो क्रमिक रूप से काम करता है, लाइन से लाइन। यह एक कार्यक्रम लिखने की कोशिश करने का निर्देश है, जिसके सभी हिस्से एक साथ काम करते हैं।

तो, यह दिलचस्प है, लेकिन व्यवहार्यता के बारे में सोचें। ऐसे कार्य का चयन कैसे करें जिसका FPGA पर समाधान उचित होगा? सबसे पहले, कुछ मामलों में सर्किट डिजाइन सॉफ्टवेयर की तुलना में अधिक सुरुचिपूर्ण और विश्वसनीय है। उदाहरण के लिए, मैंने एक माइक्रोकंट्रोलर पर एक सुमोट बॉट को क्रमादेशित किया, उसे सबसे सरल आवाज बनाया - एक स्पीकर को आउटपुट में से एक पर लटका दिया जाता है, इस पर संकेत एक ऑडियो आवृत्ति के साथ बदलता है। सब कुछ सरल है - एक चक्र, अंदर स्विच करना और एक देरी। लेकिन बीप के दौरान रोबोट रुक गया। एक ही समय में काम करने के लिए, मल्टीटास्किंग की आवश्यकता होती है, आपको एक डिस्पैचर लिखने की आवश्यकता होती है, जो बढ़ती जटिलता के साथ एक वास्तविक समय ओएस में बदल जाती है। FPGA समाधान में, आपको केंद्रीय कंप्यूटर के संसाधन को साझा नहीं करना होगा, स्पीकर नियंत्रण सबसिस्टम कुछ FPGAs खाएगा और किसी को परेशान नहीं करेगा।

दूसरे, एक विशेष सर्किट में सॉफ़्टवेयर समाधान की तुलना में बहुत अधिक प्रदर्शन हो सकता है। वास्तविक समय में 1280x1024 @ 60Hz के वीडियो स्ट्रीम के पिक्सेल-दर-पिक्सेल प्रसंस्करण के लिए, 80 मिलियन को संसाधित करना आवश्यक होगा। प्रति सेकंड डॉट्स, आपके पास एक शक्तिशाली प्रोसेसर पर भी अधिक समय नहीं है, सर्किट समाधान अवसरों को अधिक समृद्ध प्रदान करेगा (एल्गोरिथ्म पर कुछ प्रतिबंधों के तहत, प्रसंस्करण को स्टिरियोटाइप, शाखाओं को अवांछनीय होना चाहिए)।

एचडीएल

FPGAs की प्रोग्रामिंग के लिए, आप विशेष भाषाओं जैसे Verilog और VHDL का उपयोग कर सकते हैं। वे, मेरी राय में, सर्किट संपादक की तुलना में बहुत अधिक सुविधाजनक हैं, लेकिन उच्च-स्तरीय प्रोग्रामिंग के आदी व्यक्ति निराशाजनक हैं। मेरा अनुभव (सिस्टम) वेरिलॉग के साथ है, लेकिन जहां तक ​​मुझे पता है, वीएचडीएल ज्यादा अलग नहीं है। सर्किट को रजिस्टर ट्रांसफर लेवल (RTL) में वर्णित किया गया है, जो स्वाभाविक लगता है, लेकिन विवरण को दो भागों में विभाजित किया गया है: एक संयोजन सर्किट और तुल्यकालिक तर्क। उदाहरण के लिए, एक लूप ऑपरेटर है, मैं एक कॉलम द्वारा विभाजन का वर्णन करता हूं और मुझे लगता है कि संयोजन भाग को लूप बॉडी के अंदर वर्णित नहीं किया जा सकता है, केवल तुल्यकालिक है। मैक्रोज़ हैं, वेरिलॉग की मैक्रो भाषा '#' के साथ '#' को बदलने के लिए C-th प्रीप्रोसेसर है। खैर, एक मॉड्यूल में संख्यात्मक पैरामीटर (संकलन समय) हो सकता है, और यह संभवतः हमारे शस्त्रागार में सामान्यीकृत प्रोग्रामिंग के सभी साधन हैं।

RTL सिंक्रोनस सर्किट

अधिकांश मामलों में, इलेक्ट्रॉनिक सर्किट डिजाइनर सिंक्रोनस सर्किट तक सीमित हैं। इसका मतलब यह है कि एक सामान्य घड़ी संकेत (घड़ी, घड़ी) है, और विवरण कई रजिस्टरों और एक संयोजन सर्किट में विभाजित है जो यह निर्धारित करता है कि अगले उपाय पर रजिस्टर का मूल्य पिछले एक पर रजिस्टरों के मूल्य पर कैसे निर्भर करता है। कॉम्बिनेशन सर्किट का अपना राज्य नहीं होता है। माइनस स्वतंत्रता का कुछ प्रतिबंध है, उदाहरण के लिए, मैंने एक अतुल्यकालिक सर्किट का उपयोग करके यादृच्छिक संख्या जनरेटर के कार्यान्वयन का वर्णन किया। सामान्य तौर पर, FPGA आर्किटेक्चर केवल सिंक्रोनस सर्किट के साथ काम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, और इस तरह के मौलिक रूप से अतुल्यकालिक मॉड्यूल जैसे PLL (PLL) को अलग हार्डवेयर इकाइयों के रूप में लागू किया जाता है।

पीएलएल आपको कई "ब्लॉक डोमेन" बनाने की अनुमति देता है, उदाहरण के लिए, कंप्यूटिंग मॉड्यूल को वीडियो एडेप्टर से अलग करने के लिए, ताकि प्रत्येक की अपनी आवृत्ति हो। अतुल्यकालिक सर्किट, जैसा कि मैं इसे समझता हूं, सर्किट तकनीशियन मोटे तौर पर स्व-संशोधित कोड के बारे में प्रोग्रामर की तरह हैं।

जिस आवृत्ति पर सर्किट काम कर सकता है वह मुख्य रूप से सर्किट पर ही निर्भर करता है, लेकिन FPGA के प्रकार पर भी इसका "स्पीड क्लास" एक भूमिका निभाता है। अर्थ कुछ इस तरह है - एक घड़ी चक्र में सिग्नल को आपके सर्किट के सबसे लंबे रास्ते के साथ चलने और लक्ष्य रजिस्टर को स्विच करने का समय होना चाहिए। जब मैं वर्णित समाधान के लिए आवृत्ति से अधिक हो गया, तो स्क्रीन पर विशेषता स्नोट दिखाई दिया।

लोहा

परियोजना को चार डिबग बोर्ड, टेरासिक डे 0, टेरासिक डे 2-115, टेरासिक डी0-नैनो को वीजीए के बजाय एलटीएम डिस्प्ले के साथ ही रोवर II के लिए तैयार किया गया था। टेरासिक में उत्कृष्ट हार्डवेयर है, जिसमें सॉफ्टवेयर इतना रसदार नहीं है। प्रलेखन और नमूना उदाहरण हैं, लेकिन वे हमेशा पर्याप्त नहीं होते हैं। उदाहरण के लिए, पहले से ही एफपीजीए को सीधे फ्लैश करने का तरीका जानने के बाद, मैंने उसी फर्मवेयर को कॉन्फ़िगरेशन मेमोरी (इप्रोम) में चलाने की कोशिश करते हुए मार दिया (ताकि बोर्ड चालू होने पर यह फर्मवेयर लोड हो जाए)। एक और समस्या यह है कि रूस में उन्हें उचित मूल्य पर खोजना मुश्किल है, और ताइवानी नियमित मेल द्वारा उन्हें नहीं भेजते हैं। मार्स रोवर II की कार्यक्षमता खराब है, लेकिन विवरणों और समर्थन के साथ बहुत बेहतर है, उनकी साइट से लेखों में मैंने अक्सर अपनी अगली कठिनाइयों का समाधान पाया। मेरा पहला डिबग बोर्ड पहला मार्स रोवर था, यह क्षमताओं में कमजोर है, लेकिन बहुत ही कोशिश करने के लिए उपरोक्त मास्टर करना आसान है।

उपकरण

चूंकि मैंने ALTERA आधारित डिबग बोर्ड का उपयोग किया था, इसलिए QUARTUS, एक नि: शुल्क वेब संस्करण था, जिसने विकास के वातावरण के रूप में काम किया। QUARTUS एक मिश्रित प्रभाव छोड़ता है। मुख्य शिकायत बहुत ही अनपेक्षित और खराब दस्तावेज है, कोई ट्यूटोरियल नहीं। उसी समय, वह एक एकीकृत विकास पर्यावरण के अपने कर्तव्यों को पूरा करता है। FPGAs के साथ काम करते समय यह एक विशिष्ट स्थिति है - काम करता है, लेकिन सुविधा (विकास में आसानी सहित) अंतिम स्थान पर है, एक नियम के रूप में, उत्साही यहां अपेक्षित नहीं हैं।

कार्यान्वयन

इसलिए, हम फंक्शन द्वारा वीडियो जेनरेट करते हैं। ibniz, या इसके बजाय "रैखिक" सबसेट विनिर्देश के रूप में काम करेगा। लाभ यह है कि, सबसे पहले, आप कुछ तैयार किए गए डेमो उधार ले सकते हैं, और दूसरी बात, आप एक संदर्भ सॉफ़्टवेयर कार्यान्वयन के साथ काम करने के परिणाम की तुलना कर सकते हैं , जो बहुत मूल्यवान है, क्योंकि किसी प्रोग्राम को डीबग करने की तुलना में सर्किट डीबग करना बहुत अधिक जटिल है।

कार्य को मुख्य रूप से दो भागों में विभाजित किया गया था, आधारभूत संरचना जो डेटा तैयार करती है और परिणाम को डिस्प्ले पर और कर्नेल पर प्रदर्शित करती है, जो व्यक्तिगत प्राथमिक ibniz कार्यों को लागू करती है।

मुख्य अवसंरचना घटक एक वीजीए एडाप्टर है। सामान्य दृष्टिकोण फ्रेम बफर (एस) का उपयोग करना है, इसमें बाहरी मेमोरी (आंतरिक मेमोरी पर्याप्त नहीं है) शामिल है। यह प्रोजेक्ट को जटिल बना देगा और किसी अन्य चीज़ के लिए मेमोरी का उपयोग करना असंभव बना देगा। इसलिए, कर्नेल VGA के साथ समकालिक रूप से काम करता है, पिक्सेल के रंग की गणना की जाती है और इसे तुरंत खींचा जाता है।

नुकसान:
कोर पर लगाया गया वीजीए फ्रिक्वेंसी
जबकि वीजीए "स्क्रीन के अदृश्य टुकड़े" को पूरा करता है, कोर निष्क्रिय है।
कठिन वास्तविक समय, प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए आपको एक और पिक्सेल देने की आवश्यकता है, वहां सहेजें ताकि आप बाद में यहां खर्च न कर सकें।
संक्रमण बफर के रूप में सीधे फ्रेम बफ़र के लिए लिखने के निर्देश ibniz हैं।

फायदे:
कार्यान्वयन में आसानी
आप चैनल की चौड़ाई का उपयोग कर सकते हैं जो मेमोरी नहीं खींचेगा।
मेमोरी को किसी और चीज़ के लिए सहेजा जाता है (यहाँ संसाधन साझा करना शायद ही संभव होगा)।
कम विलंबता, इसमें बहुत कम समझ है, लेकिन यह एक कैमरा सिग्नल के साथ सुंदर है, लेकिन यह एक और परियोजना है।
सच 60 हर्ट्ज वीडियो आंख को प्रसन्न करता है।

कोर

परियोजना के मूल में गणितीय कार्य शामिल हैं - पाप, अतन 2, लॉग, sqrt, साथ ही साथ विभाजन; मैंने डिजिटल-टू-डिजिटल एल्गोरिदम ( CORDIC ) का उपयोग करते हुए उन्हें स्वयं कार्यान्वित किया, लाभ सॉफ्टवेयर कार्यान्वयन का अनुभव था। ये पुनरावृत्त एल्गोरिदम हैं, पुनरावृत्तियों की संख्या तर्कों की क्षमता के आनुपातिक है। प्रति चक्रण मेरे लिए किया जाता है, अर्थात, तर्कों के आगमन से लेकर परिणाम के आउटपुट तक, चक्रों की संख्या, जो बिट्स की संख्या के बराबर है, ibniz के लिए यह 32 है। मैं इसे प्रति चक्र एक बिंदु पर विचार करने की आवश्यकता के साथ कैसे प्रयास कर सकता हूं? कन्वेयर की मदद से, कंप्यूटिंग यूनिट में 32 (हार्डवेयर) चरण होते हैं। एक देरी है, और ब्लॉक के एक अनुक्रम के लिए, देरी जमा होती है। इससे निपटना मुश्किल नहीं है, लेकिन मैंने इसे स्पष्टता के लिए छोड़ दिया, परिणामस्वरूप छवि को दाईं ओर स्थानांतरित कर दिया गया है, और बाएं किनारे के साथ एक विरूपण साक्ष्य पट्टी दिखाई देती है, जिसकी चौड़ाई एक विशिष्ट उदाहरण के वाहक की कुल गहराई से मेल खाती है।

अच्छा

Habré पर जनरेटिव आर्ट के बारे में पहले से ही यहाँ उदाहरण के लिए लिखा है , फिर मेरा 5kop। जब आप कंप्यूटर के साथ चित्र बनाना शुरू करते हैं, तो सबसे पहले आप असामान्य चीजों के लिए प्रयास करते हैं - विरोधाभासी रूप, पेंट जो अम्लता के लिए उज्ज्वल होते हैं। हालांकि, ऐसे "काम" जल्दी से ऊब जाते हैं। एक दिलचस्प बात - विविधता बढ़ाने के लिए आपको प्रतिबंध लगाने होंगे। "रैंडम" चित्र सपाट दिखता है, लेकिन आप इसे एक निश्चित आकार पर खींचकर मात्रा का अर्थ जोड़ सकते हैं। बृहस्पति डेमो में, मध्यवर्ती बनावट की छवि को गोले पर लगाया जाता है। ऐसा करने के लिए, हम बस कार्टेसियन से गोलाकार के रूप में अच्छी तरह से निर्देशांक के परिवर्तन का उपयोग करते हैं, जैसा कि इस लेख में वर्णित है। वॉल्यूम की सनसनी को प्रकाश द्वारा बढ़ाया जाता है, साथ ही साथ आंदोलन, चार सर्कल-गोले के साथ डेमो देखें।

परिणाम

तो, क्या एक प्रोग्रामर को सर्किट्री में जाना चाहिए? केवल गंभीर इरादों की शर्त पर, कम से कम उद्देश्य को सटीक रूप से जानना आवश्यक है, क्योंकि यह ऊर्जा-खपत व्यवसाय है, जो निम्न-स्तरीय कार्य, कम परिष्कृत विकास उपकरण और कम स्पष्ट कार्यक्रम तर्क के कारण होता है। पैमाने के दूसरी तरफ नए अवसर और अनुभव हैं। मैं अपने अनुभव से काफी संतुष्ट हूं, वर्णित परियोजना के अलावा, मैंने एक प्रक्रियात्मक संगीत जनरेटर , मिडी सिंथेसाइज़र और वीडियो कैमरा से एक सिग्नल फिल्टर भी बनाया।
अब मेरे पास प्रोग्राम मॉडल को सोचने और लिखने के चरण में एक बहुत अधिक गंभीर परियोजना है - एक गैर-नीमन कंप्यूटर जो कि कॉम्बीनेटर लॉजिक पर आधारित है । मुख्य विचार यह है कि एक कार्यात्मक कार्यक्रम का एक गतिशील पेड़ लोहे में स्थिर बड़े नियमित ग्राफ पर रहता है, जबकि यदि संभव हो तो पेड़ की शाखाएं एक साथ विकसित होती हैं। नोड्स यथासंभव सरल हैं, वे केवल कॉम्बिनेटर का उपयोग कर सकते हैं; केवल चर्च अंकों के रूप में पूर्णांक। लाभ एक शुद्ध कार्यात्मक शैली में सरल प्रतीकात्मक संचालन का सामूहिक निष्पादन होना चाहिए। शायद नियमित अभिव्यक्ति पार्सिंग या अनुमान जैसी कोई चीज। बेशक, अधिकांश व्यावहारिक कार्यों में, पारंपरिक वास्तुकला से आगे नहीं निकला जा सकता है, लेकिन यदि आप अचानक कम से कम एक उपयुक्त क्षेत्र पाते हैं, तो आप देखते हैं, और हम सिलिकॉन तक पहुंच जाएंगे। अच्छी तरह से, या कम से कम असेंबली के साथ असेंबली भाषा के रूप में एक वास्तुकला होगी:

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