Основные принципы и пример

Smart_U - студенческий проект по созданию метеодатчиков для контроля микроклимата в различных помещениях. В статье рассказывается о разработке проекта, используемых технологиях, возникших ошибках и т.д. Сразу скажу, что набор компонентов довольно банален: микроконтроллеры Atmegа328(168), датчик температуры и влажности HTU21D, датчик интенсивности света MAX44009/BH1750, LoRa для передачи данных и в качестве эксперимента - ёмкостной датчик влажности почвы.

В этой статье я расскажу про расширение «Continue» для VSCode, помогающее обрабатывать исходные коды и просто текст любым ИИ, в том числе бесплатным и запущенным локально; а так же покажу, что умеет делать локальный вариант ИИ уже сейчас. 

В этом цикле статей речь пойдет о параллельном программировании. Довольно часто самые сложные алгоритмы требуют огромного количества вычислительных ресурсов в реальных задачах, когда программист пишет код в стандартном его понимании процедурного или Объектно Ориентированного Программирования(ООП), то для особо требовательных алгоритмических задач, которые работают с большим количеством данных и требуют минимизировать время выполнения задачи, необходимо производить оптимизацию.

В основном используют 2 типа оптимизации, либо их смесь: Векторизация и распараллеливание вычислений. Чем же они отличаются?

Вычисления производятся на процессоре, процессор пользуется специальными "хранилищами" данных называемыми регистрами. Регистры процессора напрямую подключены к логическим элементам и требуют гораздо меньшее время для выполнения операций над данными, чем данные из оперативной памяти, а тем более на жестком диске, так как для последних довольно большую часть времени занимает пересылка данных. Так же в процессорах существует область памяти называемая Кэшем, в нем хранятся те значения, которые в данный момент участвуют в вычислениях или будут участвовать в них в ближайшее время, то есть самые важные данные.

Задача оптимизации алгоритма сводится к тому, чтобы правильно выстроить последовательность операций и оптимально разместить данные в Кэше, минимизировав количество возможных пересылок данных из памяти.

Далее вы узнаете, что такое параллелизация и как пользоваться MPI на практике.

Основная прелесть использования ПЛИС, на мой взгляд, состоит в том, что разработка аппаратуры превращается в программирование со всеми его свойствами: написание и отладка кода как текста на специализированных языках описания аппаратуры (HDL); код распространяется в виде параметризованных модулей (IP-блоков), что позволяет его легко переиспользовать в других проектах; распределенная разработка обширным коллективом разработчиков с системой контроля версий, такой же, как у программистов (Git); и, как и в программировании, ничтожно низкая стоимость ошибки.

Последнее очень важно, так как если при разработке устройства классическим методом разработчик несет вполне существенные затраты на сборку и производство изделия, и любая схемотехническая ошибка или ошибка трассировки печатной платы — это всегда выход на очередную итерацию и попадание на деньги, то при работе с ПЛИС ошибки ничтожны по своей стоимости и легко устранимы. И даже если в серийном изделии обнаруживается ошибка, то её во многих случаях можно устранить очередным апгрейдом прошивки «в поле» без замены изделия. Короче, с приходом ПЛИС разработка цифровой аппаратуры все больше и больше выглядит как программирование, а это, помимо всего прочего, существенно понижает порог вхождения в тему, и все больше программистов становятся разработчиками «железа». А новые люди, в свою очередь, приносят с собой в индустрию новые подходы и принципы.

В этой статье я хочу поделиться своим небольшим опытом «программирования» микросхем ПЛИС и тем, как я постепенно погружался в тему ПЛИСоводства. Изначально я собирался написать небольшую заметку про открытый тулчейн для синтеза Yosys. Потом — про язык SpinalHDL и синтезируемое микропроцессорное ядро VexRiscv, на нём написанное. Потом — про замену микроконтроллеров микросхемами ПЛИС на примере моей отладочной платы «Карно». Но в процессе я погрузился в историю появления Hardware Description Languages (HDL), и когда я начал писать, Остапа, как это часто бывает, понесло... В общем, получилось то, что получилось.

А еще эту статью можно рассматривать как глубокое погружение в то, что происходит вот на этом новогоднем видео.

HAL 9000: I'm completely operational, and all my circuits are functioning perfectly.