رحلة إلى عالم التصميم الرقمي: رحلة مع FPGA

هل تساءلت يومًا كيف تتحكم في آلة بذكاء غير محدود، و تجعلها تقوم بمهام معقدة على نحو سلس و دقيق؟ هل فكرت في صنع جهاز يترجم أفكارك إلى واقع ملموس، يٌشبه جهازًا سحريًا من عالم الخيال العلمي؟

قد يبدو ذلك مستحيلاً، لكن مع FPGA (Field Programmable Gate Array) يمكنك أن تصنع عالمك الخاص من الدوائر الرقمية!

تخيل لوحة بناء مُعدة مسبقًا، لكنها بدلاً من مكعبات بلاستيكية، تحتوي على ملايين من البوابات المنطقية الصغيرة التي يمكنك ربطها معًا لبناء أي دائرة رقمية ترغب بها.

تبدأ رحلتنا مع FPGA برحلة عبر التاريخ:

نقطة البداية: تُعتبر FPGA إحدى أكثر التقنيات ثورية في مجال الهندسة الإلكترونية. ظهرت لأول مرة في ثمانينات القرن الماضي، وكانت تُستخدم بشكل أساسي في مجال تصنيع الأجهزة العسكرية.

التطور: مع مرور الوقت، أصبحت FPGA أكثر قوة وأقل تكلفة، مما أدى إلى انتشارها في مجالات مختلفة مثل الاتصالات، و معالجة البيانات، و الروبوتات، و حتى التجارة الإلكترونية.

و لكن، ما هي FPGA ؟ ببساطة، هي رقاقة إلكترونية تحتوي على ملايين البوابات المنطقية، والتي تُشكل لبنات البناء الأساسية للدوائر الرقمية.

الجميل في FPGA هو مرونتها: يمكنك إعادة برمجة FPGA بعد تصنيعها، مما يجعلها مثالية للأنظمة التي تتطلب التعديل أو التحديث المستمر.

أُشبه FPGA بالورقة البيضاء: بمجرد حصولك عليها، يمكنك "رسم" أي دائرة رقمية عليها، من بسيطة مثل مُضاعف عداد إلى معقدة مثل معالج مُدمج.

كيف نبدأ؟

أولاً، نحتاج إلى لغة تصميم: لا تُستخدم لغات برمجة تقليدية مثل C أو Java في برمجة FPGA، بل نستخدم لغات تصميم مُخصصة مثل Verilog أو VHDL.

ثانيًا، نُحدد مُتطلبات الدائرة: ما هي الوظائف التي ترغب في إنجازها؟ ما هو السرعة المطلوبة؟ ما هو حجم الذاكرة المطلوب؟

ثالثًا، نُصمم الدائرة: نُستخدم أدوات تصميم مُخصصة مثل Xilinx Vivado أو Altera Quartus II لإنشاء الرمز المصدري بلغة Verilog أو VHDL.

رابعًا، نُجرّب الدائرة: نستخدم مُحاكي للأجهزة لبناء نموذج افتراضي للدائرة وتجربة وظائفها.

خامسًا، نُحوّل الدائرة إلى رمز FPGA: نُستخدم أدوات ترجمة لِتُحويل رمز Verilog أو VHDL إلى رمز FPGA الذي يمكن تحميله على الرقاقة.

سادسًا، نُختبر الرقاقة: نستخدم أدوات تحليل لِتُقييم أداء الدائرة و ضمان عملها بشكل صحيح.

مثال عملي: نُريد تصميم مُضاعف عداد يستطيع عد العدد 10 و ضربه في 2.

module multiplier (input clk, input rst, output reg [3:0] out);
  reg [3:0] counter;

  always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
      counter <= 4'b0000;
      out <= 4'b0000;
    end else begin
      if (counter == 4'b1010) begin // 10 in binary
        counter <= 4'b0000;
        out <= counter * 2; // multiply by 2
      end else begin
        counter <= counter + 1;
        out <= counter * 2;
      end
    end
  end
endmodule

الشرح:

• module : تُحدد اسم الدائرة و مدخلاتها و مُخرجاتها.
• input : تُحدد المدخلات مثل إشارة الساعة و إشارة إعادة التعيين.
• output reg : تُحدد المُخرجات التي تتغير بمرور الوقت.
• always @(posedge clk or posedge rst) : تُحدد الحدث الذي يُؤدي إلى تغيير قيمة المُخرجات.
• if (rst) : يُحدد حالة إعادة التعيين.
• counter <= 4'b0000 : يُعيّن قيمة العداد إلى 0.
• counter <= counter + 1 : يُزيد قيمة العداد بمقدار 1.
• out <= counter * 2 : يُضاعف قيمة العداد في 2.

الخلاصة: FPGA هي أداة قوية و مرنة تُتيح لك "بناء" أي دائرة رقمية ترغب بها.
مع FPGA، يمكنك تحقيق حلمك بصنع أجهزة ذكية و مبتكرة تُغير العالم.

دعوة للإجراء: هل ترغب في البدء في رحلة تصميم الدوائر الرقمية مع FPGA؟ ابحث عن بعض الكورسات المُتاحة على الشبكة و جرّب بعض المُشاريع البسيطة لِتُصبح خبيرًا في هذا العالم المثير.