Nel mondo della tecnologia e dell’ingegneria, le FPGA (Field Programmable Gate Array) rappresentano uno strumento potente e versatile. Questi dispositivi programmabili offrono la possibilità di creare circuiti integrati personalizzati, permettendo agli ingegneri di realizzare una vasta gamma di progetti complessi. L’obiettivo di questo articolo è spiegare perché l’acquisto di una FPGA possa essere una scelta vantaggiosa, soprattutto dal punto di vista formativo per studenti e professionisti dell’ingegneria informatica ed elettronica. Esploreremo come le FPGA funzionano, i linguaggi di programmazione utilizzati, i vantaggi formativi e professionali, e forniremo esempi concreti di progetti che possono essere realizzati con queste tecnologie.

Definizione di FPGA

Una FPGA (Field Programmable Gate Array) è un tipo di dispositivo elettronico programmabile utilizzato per creare circuiti integrati personalizzati. A differenza dei circuiti integrati tradizionali (ASIC), che sono progettati per svolgere una funzione specifica, le FPGA possono essere riprogrammate per eseguire una varietà di funzioni. Questo è reso possibile grazie alla presenza di una matrice di blocchi logici configurabili (CLB) e una rete di interconnessioni programmabili​.

Funzionamento delle FPGA

Le FPGA funzionano utilizzando una rete di porte logiche programmabili che possono essere configurate per implementare funzioni logiche e aritmetiche complesse. Ogni blocco logico può essere programmato per eseguire operazioni specifiche, e le connessioni tra questi blocchi possono essere modificate per creare il circuito desiderato​

Le FPGA sono composte principalmente da tre elementi chiave:

• Blocchi Logici Configurabili (CLB): Questi blocchi contengono le Look-Up Table (LUT), che memorizzano le tabelle di verità delle funzioni logiche, e i flip-flop, che memorizzano i dati temporanei.
• Linee di Interconnessione Programmabili: Queste linee collegano i diversi blocchi logici e possono essere configurate per creare il percorso desiderato per i segnali.
• Blocchi di Ingresso/Uscita (I/O): Questi blocchi gestiscono la comunicazione tra la FPGA e i dispositivi esterni, permettendo di inviare e ricevere segnali​.

Differenze tra FPGA, ASIC e microprocessori
Le FPGA si differenziano dai microprocessori e dagli ASIC per la loro flessibilità e capacità di riconfigurazione:

• FPGA vs ASIC:
  • Gli ASIC sono progettati per una funzione specifica e non possono essere modificati dopo la fabbricazione. Le FPGA, invece, possono essere riprogrammate per eseguire nuove funzioni, rendendole ideali per progetti che richiedono aggiornamenti frequenti o variazioni​.
• FPGA vs Microprocessori:
  • I microprocessori eseguono istruzioni software su un’architettura fissa, mentre le FPGA configurano direttamente l’hardware per eseguire funzioni specifiche, offrendo una maggiore efficienza per compiti paralleli e personalizzati​.

Per comprendere come le FPGA siano molto utili per le aziende, possiamo analizzare il grafico che hai fornito. Questo grafico rappresenta il rapporto tra costo unitario, prestazioni, e costi e tempi di sviluppo per diverse tecnologie hardware. Ecco un’analisi dettagliata basata sull’immagine:

Analisi del grafico

1. Asse delle Prestazioni:
   • A destra, vediamo che le tecnologie come gli ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) e le memorie offrono prestazioni elevate.
2. Asse dei Costi e Tempi di Sviluppo:
   • In basso, i costi e i tempi di sviluppo si riducono spostandosi verso destra, indicando che alcune tecnologie sono più economiche e veloci da sviluppare rispetto ad altre.
3. Asse del Costo Unitario:
   • Sull’asse verticale a sinistra, il costo unitario aumenta salendo verso l’alto.

Posizione delle FPGA

Le FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) si trovano in una posizione che rappresenta un equilibrio tra prestazioni, costo unitario, e costi e tempi di sviluppo. Questo equilibrio offre diversi vantaggi alle aziende:

Vantaggi delle FPGA per le aziende

1. Flessibilità e programmabilità:
   • Le FPGA possono essere riprogrammate per svolgere diverse funzioni, rendendole molto flessibili per le applicazioni aziendali. Questo permette alle aziende di adattarsi rapidamente ai cambiamenti del mercato e delle tecnologie.
2. Tempi di sviluppo ridotti:
   • Rispetto agli ASIC, le FPGA offrono tempi di sviluppo significativamente ridotti. Questo è vantaggioso per le aziende che vogliono immettere prodotti sul mercato rapidamente.
3. Costo unitario:
   • Anche se il costo unitario delle FPGA è più alto rispetto ai dispositivi programmabili come le CPU o i DSP (Digital Signal Processor), esso è comunque inferiore rispetto agli ASIC, specialmente per produzioni a basso e medio volume. Ciò consente alle aziende di evitare gli alti costi iniziali di sviluppo e produzione degli ASIC.
4. Equilibrio tra prestazioni e costi:
   • Le FPGA offrono un buon compromesso tra prestazioni elevate e costi di sviluppo contenuti. Questo è ideale per le aziende che necessitano di alte prestazioni senza dover investire pesantemente in soluzioni su misura come gli ASIC.
5. Applicazioni versatili:
   • Le FPGA possono essere utilizzate in una vasta gamma di applicazioni, dalle telecomunicazioni all’automotive, dalla finanza all’industria manifatturiera. Questa versatilità le rende una scelta preziosa per molte aziende che operano in settori diversi.

Il grafico mostra chiaramente come le FPGA rappresentino una soluzione bilanciata tra costo, prestazioni e tempi di sviluppo. Questa caratteristica le rende particolarmente utili per le aziende che cercano di mantenere competitività e flessibilità nel mercato. Investire in FPGA consente di sviluppare prodotti avanzati in modo più rapido ed efficiente, riducendo i costi iniziali e permettendo una maggiore adattabilità alle esigenze future.

Perché dovrei prendere in considerazione un FPGA?

Un FPGA può essere impiegato per realizzare un sistema digitale, ma spesso anche un semplice microcontroller può ottenere risultati simili. I microcontroller sono convenienti e facili da integrare in una PCB. Gli FPGA sono strumenti potenti, ma potrebbero non essere ideali per tutte le applicazioni. Richiedono più energia, una disposizione accurata e circuiti esterni complessi, il che può renderli costosi e complessi. L’uso di un FPGA, significativamente più costoso e con numerosi requisiti specifici, potrebbe sembrare eccessivo.

Il primo motivo per cui un FPGA è molto utile è la sua straordinaria flessibilità. Disporre di blocchi logici configurabili significa avere grande libertà nella progettazione hardware. Non si esauriscono mai timer o UART finché ci sono risorse logiche disponibili per crearne di nuovi. La possibilità di riconfigurare il progetto in seguito può anche prolungare la vita di un prodotto, adattandosi alle evoluzioni tecnologiche e ai nuovi requisiti.

Il secondo motivo è la velocità. Un microcontroller esegue le istruzioni in modo sequenziale, una alla volta. Al contrario, un FPGA funziona in maniera intrinsecamente parallela grazie alla sua natura hardware. Questo permette l’esecuzione simultanea di diverse operazioni, utile per compiti come la trasformata di Fourier veloce (FFT) o l’elaborazione grafica, che possono essere onerose su un processore sequenziale. Gli FPGA offrono anche più opzioni di I/O ad alta velocità rispetto a un microcontroller tipico, come LVDS e transceiver con capacità superiori a 10 Gbps per protocolli come HDMI.

Esperienza pratica e portfolio

La pratica è un elemento cruciale nel percorso di studi di un ingegnere. Utilizzando una FPGA, gli studenti possono realizzare progetti reali che vanno oltre la teoria appresa in aula. Questi progetti possono essere inclusi nel proprio portfolio, dimostrando concretamente le proprie capacità e competenze ai potenziali datori di lavoro.

Lavorare su progetti con FPGA ti consente di costruire un portfolio tangibile di lavori pratici. Che si tratti di progettare un’unità di controllo per un robot o di implementare un sistema di comunicazione digitale, ogni progetto che completi ti aiuta a costruire una base di esperienza che puoi mostrare durante i colloqui di lavoro. Un portfolio ricco di progetti FPGA dimostra non solo la tua capacità di affrontare problemi complessi, ma anche il tuo impegno nell’acquisire competenze pratiche.

Avere un portfolio ricco di progetti reali è un vantaggio significativo nei colloqui di lavoro. Permette di mostrare non solo le conoscenze teoriche, ma anche l’abilità di applicarle in contesti pratici. Un’esperienza diretta con le FPGA può quindi fare la differenza tra un candidato e l’altro.

Investimento nel futuro

Sebbene il costo di un kit FPGA possa sembrare elevato, rappresenta un investimento nel futuro. Il valore formativo e professionale che si ottiene dall’uso di una FPGA supera di gran lunga l’investimento iniziale. Acquistare una FPGA significa dotarsi di uno strumento che permette di esplorare e approfondire molti aspetti del proprio percorso di studi, preparandosi al meglio per le sfide future.

Le FPGA offrono una flessibilità unica che ti permette di sperimentare e innovare. Puoi progettare e testare nuove idee e concetti senza le limitazioni imposte dai circuiti predefiniti. Questa libertà ti incoraggia a pensare in modo creativo e a trovare soluzioni innovative a problemi tecnici. In un settore in continua evoluzione come quello dell’elettronica e dell’informatica, la capacità di adattarsi e innovare è cruciale.

Introduzione a VHDL e Verilog

Le FPGA sono programmate utilizzando linguaggi di descrizione dell’hardware (HDL), i più comuni dei quali sono VHDL e Verilog. Questi linguaggi permettono di descrivere il comportamento e la struttura di circuiti digitali, consentendo agli ingegneri di progettare e testare sistemi complessi direttamente in hardware.

VHDL (VHSIC Hardware Description Language)

VHDL è un linguaggio di descrizione dell’hardware sviluppato negli anni ’80 come parte del progetto VHSIC (Very High Speed Integrated Circuit). È un linguaggio fortemente tipizzato che consente di descrivere il comportamento di un circuito a livello di gate e di registro. VHDL è utilizzato ampiamente per la progettazione e la simulazione di circuiti digitali, grazie alla sua capacità di gestire descrizioni dettagliate e precise​.

Caratteristiche principali di VHDL:

• Tipizzazione Forte: Aiuta a prevenire errori di tipo durante la compilazione.
• Modularità: Supporta la progettazione modulare attraverso l’uso di entità e architetture.
• Simulazione e sintesi: Permette di simulare il comportamento del circuito e di sintetizzare il design per la implementazione su FPGA.

Verilog

Verilog è un altro linguaggio HDL ampiamente utilizzato, sviluppato quasi contemporaneamente a VHDL. È considerato più semplice e intuitivo rispetto a VHDL, ed è particolarmente popolare negli Stati Uniti. Verilog consente di descrivere circuiti a livello di gate, di registro e di sistema, rendendolo versatile per una varietà di applicazioni

Caratteristiche principali di Verilog:

• Sintassi semplice: Più vicino alla programmazione tradizionale rispetto a VHDL.
• Supporto per diverse astrazioni: Permette descrizioni sia a basso livello (gate-level) che a livello più alto (behavioral).
• Compatibilità: Ampiamente supportato dai principali strumenti di sviluppo per FPGA.

Come VHDL e Verilog vengono utilizzati

Entrambi i linguaggi sono utilizzati per creare descrizioni testuali dei circuiti che possono essere simulati e sintetizzati per l’implementazione su FPGA. Il processo tipico prevede i seguenti passi:

1. Design Entry: Scrittura del codice HDL che descrive il comportamento del circuito.
2. Simulazione: Verifica funzionale del design attraverso la simulazione, per assicurarsi che il circuito si comporti come previsto.
3. Sintesi: Conversione del codice HDL in una netlist che può essere implementata fisicamente sulla FPGA.
4. Implementazione: Configurazione della FPGA con la netlist sintetizzata per realizzare il circuito fisico.

Vantaggi formativi dell’uso delle FPGA

Apprendimento dei linguaggi HDL

Uno dei principali vantaggi formativi dell’uso delle FPGA è l’opportunità di imparare e applicare i linguaggi di descrizione dell’hardware (HDL), come VHDL e Verilog. Questi linguaggi sono fondamentali per chi lavora nel campo dell’elettronica digitale e della progettazione hardware, e rappresentano una competenza preziosa per studenti e professionisti. Utilizzando una FPGA, si acquisiscono conoscenze approfondite su come descrivere e implementare circuiti digitali complessi, migliorando così la comprensione della logica digitale e dei processi di progettazione hardware​​.

Esperienza pratica e sperimentazione

Lavorare con le FPGA consente di mettere in pratica le teorie apprese nei corsi di elettronica e informatica. Grazie alla loro programmabilità, le FPGA offrono un ambiente ideale per sperimentare con vari design e approcci di progettazione. Gli studenti possono progettare, simulare e implementare circuiti reali, ottenendo un feedback immediato sulle loro idee e soluzioni. Questo tipo di esperienza pratica è cruciale per consolidare le conoscenze teoriche e sviluppare competenze pratiche​​.

Flessibilità e innovazione

Le FPGA offrono una notevole flessibilità, permettendo di riconfigurare i circuiti per eseguire diverse funzioni senza dover sostituire l’hardware. Questo rende possibile esplorare una vasta gamma di applicazioni e soluzioni innovative. La capacità di modificare e migliorare continuamente i progetti stimola la creatività e l’innovazione, elementi chiave per il progresso tecnologico. Gli studenti e i professionisti possono utilizzare le FPGA per sviluppare prototipi e testare nuove idee in modo rapido ed efficiente​​.

Approccio consigliato

Le FPGA sono affascinanti, ma da dove iniziare? E se poi scopri che non fanno per te, avrai sprecato molti soldi? Non temere, ci sono opzioni entry-level che sono alla portata di tutti. Anche se l’utilizzo delle FPGA è comune nel mercato professionale, esistono soluzioni didattiche economiche perfette per hobbisti e maker. Tuttavia, è fondamentale capire il giusto approccio prima di investire in un sistema di sviluppo.

Con Arduino, puoi collegare un display I2C, scaricare alcune librerie e, in poco tempo, vedere il tuo “Hello World”. Con le FPGA è diverso: non esistono interfacce I2C, SPI o video già pronte. Devi creare tutto da zero istanziando degli IP. All’inizio, il traguardo più emozionante sarà far lampeggiare un LED. Non voglio scoraggiarti, ma piuttosto sottolineare che con pazienza e piccoli passi, è possibile realizzare qualsiasi progetto.

Gli IP, o “Intellectual Property cores”, sono moduli predefiniti di progettazione che possono essere utilizzati all’interno di un FPGA. Questi moduli sono blocchi di circuiti pre-progettati e testati che implementano specifiche funzioni, come interfacce di comunicazione (ad esempio I2C, SPI, UART), processori, controller di memoria, o altre funzioni logiche complesse.

Ecco alcuni consigli per iniziare con il piede giusto:

1. Acquista una scheda FPGA molto economica.
2. Evita i demo e inizia con un buon libro su Verilog/VHDL, che sia semplice ma completo.
3. Ricorda che tutto ciò che impari da un libro sarà applicabile su FPGA di qualsiasi marca.

Quale board acquistare?

La Go Board è una scheda di sviluppo FPGA progettata per essere accessibile ai principianti, offrendo un’esperienza completa e intuitiva per coloro che desiderano imparare a programmare in VHDL e Verilog. Questa scheda è nata grazie a una campagna Kickstarter di successo e rappresenta una soluzione conveniente e potente per esplorare il mondo delle FPGA.

La Go Board è disponibile al prezzo di 70 dollari, un costo competitivo considerando le sue funzionalità e il supporto educativo fornito. Questo rende la scheda una scelta eccellente per hobbisti, studenti e chiunque sia interessato a esplorare il mondo delle FPGA senza dover affrontare una spesa eccessiva.

Ecco le specifiche tecniche della scheda:

• FPGA Lattice ICE40 HX1K: Potente e facile da usare, con 1280 celle logiche. Supporta toolchain open source IceStorm. Qui il datasheet.
• Connessione USB: Alimenta, programma e comunica con la scheda tramite un’unica connessione semplice, senza bisogno di alimentatori esterni.
• LED e Interruttori: Quattro LED e quattro pulsanti riprogrammabili per diversi progetti.
• Display a 7 Segmenti: Due display per visualizzare informazioni utili durante i progetti.
• Connettore VGA: Permette di creare progetti divertenti e complessi come il gioco Pong.
• Connettore PMOD: Compatibile con numerosi moduli periferici Digilent, aggiungendo ulteriori funzionalità alla scheda.
• Orologio integrato da 25 MHz e 1 Mb di Flash: Per l’avvio e il funzionamento dell’FPGA.

La Go Board rappresenta una piattaforma ideale per chi vuole avvicinarsi alla programmazione FPGA. Con le sue numerose funzionalità, il supporto educativo e il prezzo accessibile, è una risorsa preziosa per imparare e sperimentare in questo campo tecnologico. Per ulteriori informazioni e per acquistare la Go Board, visita nandland.com/the-go-board.

Un progetto step-by-step per approcciarsi per la prima volta nel mondo delle FPGA

Nandland.com supporta la Go Board con una vasta gamma di tutorial e risorse educative. Questi materiali guidano gli utenti attraverso i concetti fondamentali della programmazione FPGA, aiutandoli a sviluppare le competenze necessarie per creare progetti complessi. I tutorial coprono argomenti che vanno dall’installazione del software necessario alla scrittura e al debug del codice.

Ecco il tutorial completo: https://nandland.com/go-board-tutorials/

Alcuni esempi di progetti con le FPGA

Progetti nell’automazione industriale

Le FPGA sono ampiamente utilizzate nell’automazione industriale grazie alla loro capacità di gestire il controllo preciso di macchinari e processi. Ad esempio, possono essere impiegate per il controllo di motori elettrici, implementando algoritmi complessi come il controllo della coppia diretta o il servocontrollo a orientamento di campo senza sensori. Questi algoritmi richiedono una risposta rapida e precisa, caratteristiche che le FPGA possono fornire grazie alla loro elevata velocità di elaborazione e bassa latenza.

Applicazioni nelle telecomunicazioni

Nel campo delle telecomunicazioni, le FPGA sono utilizzate per gestire la trasmissione e la ricezione di segnali digitali. Possono essere configurate per supportare interfacce digitali seriali (SDI) utilizzate nella trasmissione di segnali televisivi ad alta definizione (4K ultra-HD).

Utilizzi nell’elaborazione di immagini

Le FPGA sono ideali per applicazioni di elaborazione di immagini, grazie alla loro capacità di eseguire calcoli in parallelo. Possono essere utilizzate per implementare algoritmi di elaborazione video, come il filtraggio, la compressione e il riconoscimento di immagini in tempo reale. Questo le rende particolarmente utili in settori come la sorveglianza, la medicina e l’automotive, dove è necessario elaborare grandi quantità di dati visivi rapidamente e con alta precisione​.

Ulteriori consigli

Ci sono molte risorse in rete per quanto riguarda il mondo delle FPGA, ma all’inizio potrebbe risultare difficoltoso trovare le giuste fonti, ve ne riporto alcune:

• FPGA per principianti assoluti: partiamo da Step 0
• FPGA Tutorial
• NAND LAND: Learn FPGAs, Verilog, and VHDL.
• https://github.com/BrunoLevy/learn-fpga
• How to self-learn FPGAs in 3 weeks for absolute beginners?
• https://www.fpga4fun.com/
• https://github.com/jogeshsingh/Learning-about-FPGA-DESIGN-

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Link utili

• Arduino UNO R3
• Elegoo UNO R3
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