第一篇：FPGA學(xué)習(xí)概述

FPGA學(xué)習(xí)

我常年擔(dān)任多個(gè)有關(guān)FPGA學(xué)習(xí)研討的QQ群管理員，長(zhǎng)期以來(lái)很多新入群的菜鳥(niǎo)們總是在重復(fù)的問(wèn)一些非常簡(jiǎn)單但是又讓新手困惑不解的問(wèn)題。作為管理員經(jīng)常要給這些菜鳥(niǎo)們普及基礎(chǔ)知識(shí)，但是非常不幸的是很多菜鳥(niǎo)懷著一種浮躁的心態(tài)來(lái)學(xué)習(xí)FPGA，總是急于求成。再加上國(guó)內(nèi)大量有關(guān)FPGA的垃圾教材的誤導(dǎo)，所以很多菜鳥(niǎo)始終無(wú)法入門。

為什么大量的人會(huì)覺(jué)得FPGA難學(xué)？作為著名FPGA提供商Altera授權(quán)的金牌培訓(xùn)師，本管理員決心開(kāi)貼來(lái)詳細(xì)講一下菜鳥(niǎo)覺(jué)得FPGA難學(xué)的幾大原因。

1、不熟悉FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不了解可編程邏輯器件的基本原理。

FPGA為什么是可以編程的？恐怕很多菜鳥(niǎo)不知道，他們也不想知道。因?yàn)樗麄冇X(jué)得這是無(wú)關(guān)緊要的。他們潛意識(shí)的認(rèn)為可編程嘛，肯定就是像寫(xiě)軟件一樣啦。軟件編程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C語(yǔ)言或者其它軟件編程語(yǔ)言一樣。一條條的讀，一條條的分析。如果這些菜鳥(niǎo)們始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要想學(xué)會(huì)FPGA恐怕是天方夜譚。雖然現(xiàn)在EDA軟件已經(jīng)非常先進(jìn)，像寫(xiě)軟件那樣照貓畫(huà)虎也能綜合出點(diǎn)東西，但也許只有天知道EDA軟件最后綜合出來(lái)的到底是什么。也許點(diǎn)個(gè)燈，跑個(gè)馬還行。這樣就是為什么很多菜鳥(niǎo)學(xué)了N久以后依然是一個(gè)菜鳥(niǎo)的原因。

那么FPGA為什么是可以“編程”的呢？首先來(lái)了解一下什么叫“程”。啟示“程”只不過(guò)是一堆具有一定含義的01編碼而已。編程，其實(shí)就是編寫(xiě)這些01編碼。只不過(guò)我們現(xiàn)在有了很多開(kāi)發(fā)工具，通常都不是直接編寫(xiě)這些01編碼，而是以高級(jí)語(yǔ)言的形式來(lái)編寫(xiě)，最后由開(kāi)發(fā)工具轉(zhuǎn)換為這種01編碼而已。對(duì)于軟件編程而言，處理器會(huì)有一個(gè)專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號(hào)，然后控制其內(nèi)部的電路完成一個(gè)個(gè)的運(yùn)算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的讀，因?yàn)檐浖牟僮魇且徊揭徊酵瓿傻摹?/p>

而FPGA得可編程，本質(zhì)也是依靠這些01編碼實(shí)現(xiàn)其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來(lái)再去控制一個(gè)運(yùn)算電路，F(xiàn)PGA里面沒(méi)有這些東西。FPGA內(nèi)部主要三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊?？删幊痰倪壿媶卧鞘裁?？其基本結(jié)構(gòu)某種存儲(chǔ)器（SRAM、FLASH等）制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”

加上一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。任何一個(gè)4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對(duì)應(yīng)的“真值表”，同樣的如果用這么一個(gè)存儲(chǔ)器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內(nèi)部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。這些“真值表”內(nèi)部值是什么？就是那些01編碼而已。如果要實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路怎么辦？這不又D觸發(fā)器嘛，任何的時(shí)序邏輯都可以轉(zhuǎn)換為組合邏輯+D觸發(fā)器來(lái)完成。但這畢竟只實(shí)現(xiàn)了4輸入1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規(guī)模那是相當(dāng)?shù)拇笈?。那怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲(chǔ)器控制的鏈接點(diǎn)，通過(guò)改寫(xiě)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開(kāi)的。者就可以把很多可編程邏輯單元組合起來(lái)形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實(shí)是FPGA作為芯片級(jí)使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個(gè)非專用引腳（FPGA中有專門的非用戶可使用的測(cè)試、下載用引腳）為輸入還是輸出，還可以對(duì)IO的電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。

總歸一句話，F(xiàn)PGA之所以可編程是因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)特殊的01代碼制作成一張張“真值表”，并將這些“真值表”組合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的邏輯功能。不了解FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無(wú)法深入的了解如何能夠充分運(yùn)用FPGA。現(xiàn)在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯電路設(shè)計(jì)，是從菜鳥(niǎo)邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內(nèi)部邏輯及其工作原理做起。

2、錯(cuò)誤理解HDL語(yǔ)言，怎么看都看不出硬件結(jié)構(gòu)。

HDL語(yǔ)言的英語(yǔ)全稱是：Hardware Description Language，注意這個(gè)單詞Description，而不是Design。老外為什么要用Description這個(gè)詞而不是Design呢？因?yàn)镠DL確實(shí)不是用用來(lái)設(shè)計(jì)硬件的，而僅僅是用來(lái)描述硬件的。描述這個(gè)詞精確地反映了HDL語(yǔ)言的本質(zhì)，HDL語(yǔ)言不過(guò)是已知硬件電路的文本表現(xiàn)形式而已，只是將以后的電路用文本的形式描述出來(lái)而已。而在編寫(xiě)語(yǔ)言之前，硬件電路應(yīng)該已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)了。語(yǔ)言只不過(guò)是將這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)了，直接拿去制作部就完了，為什么還要轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式再通過(guò)EDA工具這些麻煩的流程呢？其實(shí)這就

是很多菜鳥(niǎo)沒(méi)有了解設(shè)計(jì)的抽象層次的問(wèn)題，任何設(shè)計(jì)包括什么服裝、機(jī)械、廣告設(shè)計(jì)都有一個(gè)抽象層次的問(wèn)題。就拿廣告設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)吧，最初的設(shè)計(jì)也許就是一個(gè)概念，設(shè)計(jì)出這個(gè)概念也是就是一個(gè)點(diǎn)子而已，離最終拍成廣告還差得很遠(yuǎn)。

硬件設(shè)計(jì)也是有不同的抽象層次，沒(méi)一個(gè)層次都需要設(shè)計(jì)。最高的抽象層次為算法級(jí)、然后依次是體系結(jié)構(gòu)級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、門級(jí)、物理版圖級(jí)。使用HDL的好處在于我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一個(gè)寄存器傳輸級(jí)的電路，那么用HDL描述以后轉(zhuǎn)化為文本的形式，剩下的向更低層次的轉(zhuǎn)換就可以讓EDA工具去做了，者就大大的降低了工作量。這就是可綜合的概念，也就是說(shuō)在對(duì)這一抽象層次上硬件單元進(jìn)行描述可以被EDA工具理解并轉(zhuǎn)化為底層的門級(jí)電路或其他結(jié)構(gòu)的電路。在FPGA設(shè)計(jì)中，就是在將這以抽象層級(jí)的意見(jiàn)描述成HDL語(yǔ)言，就可以通過(guò)FPGA開(kāi)發(fā)軟件轉(zhuǎn)化為問(wèn)題1中所述的FPGA內(nèi)部邏輯功能實(shí)現(xiàn)形式。HDL也可以描述更高的抽象層級(jí)如算法級(jí)或者是體系結(jié)構(gòu)級(jí)，但目前受限于EDA軟件的發(fā)展，EDA軟件還無(wú)法理解這么高的抽象層次，所以HDL描述這樣抽象層級(jí)是無(wú)法被轉(zhuǎn)化為較低的抽象層級(jí)的，這也就是所謂的不可綜合。

所以在閱讀或編寫(xiě)HDL語(yǔ)言，尤其是可綜合的HDL，不應(yīng)該看到的是語(yǔ)言本身，而是要看到語(yǔ)言背后所對(duì)應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)。如果看到的HDL始終是一條條的代碼，那么這種人永遠(yuǎn)擺脫不了菜鳥(niǎo)的宿命。假如哪一天看到的代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊，那么恭喜脫離了菜鳥(niǎo)的級(jí)別，進(jìn)入不那么菜的鳥(niǎo)級(jí)別。

3、FPGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外

這一點(diǎn)恐怕也是很多學(xué)FPGA的菜鳥(niǎo)最難理解的地方。FPGA是給誰(shuí)用的？很多學(xué)校解釋為給學(xué)微電子專業(yè)或者集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生用的，其實(shí)這不過(guò)是很多學(xué)校受資金限制，賣不起專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)工具而用FPGA工具替代而已。其實(shí)FPGA是給設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個(gè)電子設(shè)備，如基站、機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控設(shè)備等。當(dāng)現(xiàn)有芯片無(wú)法滿足系統(tǒng)的需求時(shí)，就需要用FPGA來(lái)快速的定義一個(gè)能用的芯片。前面說(shuō)了，F(xiàn)PGA里面無(wú)法就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)非就是考慮如何將這些以后資源組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設(shè)計(jì)工程師那樣一直要關(guān)注到最

后芯片是不是能夠被制造出來(lái)。本質(zhì)上和利用現(xiàn)有芯片組合成不同的電子系統(tǒng)沒(méi)有區(qū)別，只是需要關(guān)注更底層的資源而已。

要想把FPGA用起來(lái)還是簡(jiǎn)單的，因?yàn)闊o(wú)法就是那些資源，在理解了前面兩點(diǎn)再搞個(gè)實(shí)驗(yàn)板，跑跑實(shí)驗(yàn)，做點(diǎn)簡(jiǎn)單的東西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂點(diǎn)FPGA知識(shí)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。因?yàn)樽罱K要讓FPGA里面的資源如何組合，實(shí)現(xiàn)何種功能才能滿足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識(shí)。

目前FPGA的應(yīng)用主要是三個(gè)方向：第一個(gè)方向，也是傳統(tǒng)方向主要用于通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì)，這一方向主要是用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換。這類應(yīng)用通常要求采用具備高速收發(fā)接口的FPGA，同時(shí)要求設(shè)計(jì)者懂得高速接口電路設(shè)計(jì)和高速數(shù)字電路板級(jí)設(shè)計(jì)，具備EMC/EMI設(shè)計(jì)知識(shí)，以及較好的模擬電路基礎(chǔ)，需要解決在高速收發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)完整性問(wèn)題。FPGA最初以及到目前最廣的應(yīng)用就是在通信領(lǐng)域，一方面通信領(lǐng)域需要高速的通信協(xié)議處理方式，另一方面通信協(xié)議隨時(shí)在修改，非常不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為首選。到目前為止FPGA的一半以上的應(yīng)用也是在通信行業(yè)。

第二個(gè)方向，可以稱為數(shù)字信號(hào)處理方向或者數(shù)學(xué)計(jì)算方向，因?yàn)楹艽蟪潭壬线@一方向已經(jīng)大大超出了信號(hào)處理的范疇。例如早就在2006年就聽(tīng)說(shuō)老美將FPGA用于金融數(shù)據(jù)分析，后來(lái)又見(jiàn)到有將FPGA用于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析的案例。在這一方向要求FPGA設(shè)計(jì)者有一定的數(shù)學(xué)功底，能夠理解并改進(jìn)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，并利用FPGA內(nèi)部的各種資源使之能夠變?yōu)閷?shí)際的運(yùn)算電路。目前真正投入實(shí)用的還是在通信領(lǐng)域的無(wú)線信號(hào)處理、信道編解碼以及圖像信號(hào)處理等領(lǐng)域，其它領(lǐng)域的研究正在開(kāi)展中，之所以沒(méi)有大量實(shí)用的主要原因還是因?yàn)閷W(xué)金融的、學(xué)醫(yī)學(xué)的不了解這玩意。不過(guò)最近發(fā)現(xiàn)歐美有很多電子工程、計(jì)算機(jī)類的博士轉(zhuǎn)入到金融行業(yè)，開(kāi)展金融信號(hào)處理，相信隨著轉(zhuǎn)入的人增加，F(xiàn)PGA在其它領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算功能會(huì)更好的發(fā)揮出來(lái)，而我也有意做一些這些方面的研究。不過(guò)國(guó)內(nèi)學(xué)金融的、學(xué)醫(yī)的恐怕連數(shù)學(xué)都很少用到，就不用說(shuō)用FPGA來(lái)幫助他們完成數(shù)學(xué)運(yùn)算了，這個(gè)問(wèn)題只有再議了。

第三個(gè)方向就是所謂的SOPC方向，其實(shí)嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)這個(gè)已經(jīng)在FPGA設(shè)計(jì)的范疇之內(nèi)，只不過(guò)是利用FPGA這個(gè)平臺(tái)搭建的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的底層硬

件環(huán)境，然后設(shè)計(jì)者主要是在上面進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)而已。設(shè)計(jì)對(duì)于FPGA本身的設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實(shí)際上需要用到第二個(gè)方向的知識(shí)，而如果需要設(shè)計(jì)專用的接口電路則需要用到第一個(gè)方向的知識(shí)。就目前SOPC方向發(fā)展其實(shí)遠(yuǎn)不如第一和第二個(gè)方向，其主要原因是因?yàn)镾OPC以FPGA為主，或者是在FPGA內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)一個(gè)“軟”的處理器，或者是在FPGA內(nèi)部嵌入一個(gè)處理器核。但大多數(shù)的嵌入式設(shè)計(jì)卻是以軟件為核心，以現(xiàn)有的硬件發(fā)展情況來(lái)看，多數(shù)情況下的接口都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并不需要那么大的FPGA邏輯資源去設(shè)計(jì)太過(guò)復(fù)雜的接口。而且就目前看來(lái)SOPC相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具還非常的不完善，以ARM為代表的各類嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工具卻早已深入人心，大多數(shù)以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的接口，大量成系列的單片機(jī)/嵌入式處理器提供了相關(guān)行業(yè)所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬件場(chǎng)合確實(shí)很少。通常是在一些特種行業(yè)才會(huì)在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情況不會(huì)有太大改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機(jī)還在嵌入式領(lǐng)域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來(lái)體現(xiàn)價(jià)值的。我曾經(jīng)看好的是cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史載SOC芯片里面去嵌入那么一小塊FPGA，那這樣其實(shí)可以滿足嵌入式的那些微小的硬件接口差異，比如某個(gè)運(yùn)用需要4個(gè)USB，而通常的處理器不會(huì)提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來(lái)提供多的USB接口。而另一種運(yùn)用需要6個(gè)UART，也可以用同樣的方法完成。對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設(shè)計(jì)中各種微小的差異變化。其主要的差異化仍然是通過(guò)軟件來(lái)完成。但目前cypress過(guò)于封閉，如果其采用ARM作為處理器內(nèi)核，借助其完整的工具鏈。同時(shí)開(kāi)放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設(shè)計(jì)，其實(shí)是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過(guò)，Psoc的思想也不知道何時(shí)能夠發(fā)光。

4、數(shù)字邏輯知識(shí)是根本。

無(wú)論是FPGA的哪個(gè)方向，都離不開(kāi)數(shù)字邏輯知識(shí)的支撐。FPGA說(shuō)白了是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的方式而已。如果連最基本的數(shù)字邏輯的知識(shí)都有問(wèn)題，學(xué)習(xí)FPGA的愿望只是空中樓閣而已。而這，恰恰是很多菜鳥(niǎo)最不愿意去面對(duì)的問(wèn)題。數(shù)字邏輯是任何電子電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，也是必須要學(xué)好的一門課。很

多人無(wú)非是學(xué)習(xí)了，考個(gè)試，完了。如果不能將數(shù)字邏輯知識(shí)爛熟于心，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，學(xué)FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終是一場(chǎng)空的。

以上四條只是我目前總結(jié)菜鳥(niǎo)們?cè)趯W(xué)習(xí)FPGA時(shí)所最容易跑偏的地方，F(xiàn)PGA的學(xué)習(xí)其實(shí)就像學(xué)習(xí)圍棋一樣，學(xué)會(huì)如何在棋盤上落子很容易，成為一位高手卻是難上加難。要真成為李昌鎬那樣的神一般的選手，除了靠刻苦專研，恐怕還確實(shí)得要一點(diǎn)天賦。

第二篇：如何學(xué)習(xí)fpga

如何學(xué)習(xí)FPGA

關(guān)鍵詞：工作人員, 硬件, 設(shè)計(jì), FPGA

掌握FPGA可以找到一份很好的工作，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工作人員，使用FPGA可以讓設(shè)計(jì)變得非常有靈活性。掌握了FPGA設(shè)計(jì)，單板硬件設(shè)計(jì)就非常容易(不是系統(tǒng)設(shè)計(jì))，特別是上大學(xué)時(shí)如同天書(shū)的邏輯時(shí)序圖，看起來(lái)就非常親切。但FPGA入門卻有一定難度，因?yàn)樗幌褴浖O(shè)計(jì)，只要有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，幾乎就可以完成所有的設(shè)計(jì)。FPGA設(shè)計(jì)與硬件直接相關(guān)，需要實(shí)實(shí)在在的調(diào)試儀器，譬如示波器等。這些硬件設(shè)備一般比較昂貴，這就造成一定的入門門檻，新人在入門時(shí)遇到一點(diǎn)問(wèn)題或者困難，由于沒(méi)有調(diào)試設(shè)備，無(wú)法定位問(wèn)題，最后可能就會(huì)放棄。其實(shí)這時(shí)如果有人稍微指點(diǎn)一下，這個(gè)門檻很容易就過(guò)去。我用FPGA做設(shè)計(jì)很多年了，遠(yuǎn)達(dá)不到精通的境界，只是熟悉使用，在這里把我對(duì)FPGA學(xué)習(xí)步驟理解寫(xiě)出來(lái)，僅是作為一個(gè)參考，不對(duì)的地方，歡迎大家討論和指正。

FPGA學(xué)習(xí)步驟

1、工欲善其事，必先利其器。

計(jì)算機(jī)必不可少。目前FPGA應(yīng)用較多的是Altera和xilinx這兩個(gè)公司，可以選擇安裝quartusII或者ISE軟件。這是必備的軟件環(huán)境。

硬件環(huán)境還需要下載器、目標(biāo)板。雖然有人說(shuō)沒(méi)有下載器和目標(biāo)板也可學(xué)習(xí)fpga，但那總是紙上談兵。這就像談女朋友，總是嘴上說(shuō)說(shuō)，通個(gè)電話，連個(gè)手都沒(méi)牽，能說(shuō)人家是你朋友?雖說(shuō)搭建硬件環(huán)境需要花費(fèi)，但想想，硬件環(huán)境至多幾百元錢，你要真的掌握FPGA的設(shè)計(jì)，起薪比別人都不止高出這么多。這點(diǎn)花費(fèi)算什么?

FPGA學(xué)習(xí)步驟

2、熟悉verilog語(yǔ)言或者vhdl語(yǔ)言，熟練使用quartusII或者ISE軟件。

VHDL和verilog各有優(yōu)點(diǎn)，選擇一個(gè)，建議選擇verilog。熟練使用設(shè)計(jì)軟件，知道怎樣編譯、仿真、下載等過(guò)程。

起步階段不希望報(bào)一些培訓(xùn)班，除非你有錢，或者運(yùn)氣好，碰到一個(gè)水平高、又想把自己的經(jīng)驗(yàn)和別人共享的培訓(xùn)老師，不然的話，培訓(xùn)完后總會(huì)感覺(jué)自己是一個(gè)冤大頭。入門階段可以在利用網(wǎng)絡(luò)資源完成。

FPGA學(xué)習(xí)步驟

3、設(shè)計(jì)一個(gè)小代碼，下載到目標(biāo)板看看結(jié)果

此時(shí)可以設(shè)計(jì)一個(gè)最簡(jiǎn)答的程序，譬如點(diǎn)燈。如果燈在閃爍了，表示基本入門了。如果此時(shí)能夠下載到FPGA外掛的flash，F(xiàn)PGA程序能夠從flash啟動(dòng),表明FPGA的最簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)你已經(jīng)成功，可以到下一步。

FPGA學(xué)習(xí)步驟

4、設(shè)計(jì)稍微復(fù)雜的代碼，下載到目標(biāo)板看看結(jié)果。

可以設(shè)計(jì)一個(gè)UART程序，網(wǎng)上有參考，你要懂RS232協(xié)議和FPGA內(nèi)置的邏輯分析儀。網(wǎng)上下載一個(gè)串口調(diào)試助手，調(diào)試一番，如果通信成功了，恭喜，水平有提高。進(jìn)入下一步。

FPGA學(xué)習(xí)步驟

5、設(shè)計(jì)復(fù)雜的代碼，下載到目標(biāo)板看看結(jié)果。

譬如sdram的程序，網(wǎng)上也有參考，這個(gè)設(shè)計(jì)難度有點(diǎn)大。可用串口來(lái)調(diào)試sdram，把串口的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到sdram，然后讀回，如果成功，那你就比較熟悉FPGA設(shè)計(jì)了

FPGA學(xué)習(xí)步驟

6、設(shè)計(jì)高速接口，譬如ddr2或者高速串行接口

這要對(duì)FPGA的物理特性非常了解，而且要懂得是時(shí)序約束等設(shè)計(jì)方法，要看大量的原廠文檔，這部分成功了，那就對(duì)FPGA的物理接口掌握很深，你就是設(shè)計(jì)高手了

FPGA學(xué)習(xí)步驟

7、設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的協(xié)議

譬如USB、PCIexpress、圖像編解碼等，鍛煉對(duì)系統(tǒng)的整體把握和邏輯劃分。完成這些，你就是一個(gè)一流的高手、FPGA學(xué)習(xí)步驟

8、學(xué)習(xí)再學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)什么，我也不知道，我只知道“學(xué)無(wú)止境，山外有山”。

現(xiàn)在很多FPGA工程師，沒(méi)找到合適，我覺(jué)得很多人從開(kāi)始的時(shí)候就誤入歧途了，對(duì)新手學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計(jì)我也說(shuō)一點(diǎn)看法吧。我認(rèn)為要從基礎(chǔ)開(kāi)始做，基礎(chǔ)牢，才有成為高手的可能。

我覺(jué)得FPGA學(xué)習(xí)有以下幾步必須要走：

第一步：學(xué)習(xí)了解FPGA結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA到底是什么東西，芯片里面有什么，不要開(kāi)始就拿個(gè)開(kāi)發(fā)板照著別人的東西去編程。很多開(kāi)發(fā)板的程序?qū)懙暮軤€，我也做過(guò)一段時(shí)間的開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)，我覺(jué)得很大程度上，開(kāi)發(fā)板在誤人子弟。不過(guò)原廠提供的正品開(kāi)發(fā)板，代碼很優(yōu)秀的，可以借鑒。只有了解了FPGA內(nèi)部的結(jié)構(gòu)才能明白為什么寫(xiě)Verilog和寫(xiě)C整體思路是不一樣的。

第二步：掌握FPGA設(shè)計(jì)的流程。了解每一步在做什么，為什么要那么做。很多人都是不就是那幾步嗎，有什么奇怪的?呵呵，我想至少有一半以上的人不知道synthesize和traslate的區(qū)別吧。

了解了FPGA的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程才有可能知道怎么去優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高速度，減少資源，不要急躁，不要去在為選擇什么語(yǔ)言和選擇哪個(gè)公司的芯片上下功夫。語(yǔ)言只是一個(gè)表達(dá)的方式，重要的是你的思維，沒(méi)有一個(gè)好的指導(dǎo)思想，語(yǔ)言用得再好，不過(guò)是個(gè)懂語(yǔ)言的人。

第三步：開(kāi)始學(xué)習(xí)代碼了。我建議要學(xué)代碼的人都去Altera或Xilinx的網(wǎng)站上下原廠工程師的代碼學(xué)習(xí)。不要一開(kāi)始就走入誤區(qū)。

第四步：template很重要。能不能高效利用FPGA資源，一是了解fpga結(jié)構(gòu)，二是了解欲實(shí)現(xiàn)的邏輯功能和基本機(jī)構(gòu)，三是使用正確的模板。FPGA內(nèi)部器件種類相對(duì)較單一，用好模板，你的邏輯才能被高效的綜合成FPGA擅長(zhǎng)表達(dá)的結(jié)構(gòu)：)

做FPGA主要是要有電路的思想，作為初學(xué)者，往往對(duì)器件可能不是熟悉，那么應(yīng)該對(duì)于數(shù)字電路的知識(shí)很熟悉吧，F(xiàn)PGA中是由觸發(fā)器和查找表以及互聯(lián)線等基本結(jié)構(gòu)組成的，其實(shí)在我們?cè)诖a里面能夠看到的就是與非門以及觸發(fā)器，不要把verilog和c語(yǔ)言等同起來(lái)，根本就是不同的東西，沒(méi)有什么可比性，在寫(xiě)一句程序的時(shí)候應(yīng)該想到出來(lái)的是一個(gè)什么樣的電路，計(jì)數(shù)

器 選擇器 三態(tài)門等等，理解時(shí)序，邏輯是一拍一拍的東西，在設(shè)計(jì)初期想的不是很清楚的時(shí)候可以畫(huà)畫(huà)時(shí)序圖，這樣思路會(huì)更加的清晰，還有就是仿真很重要，不要寫(xiě)完程序就去往FPGA中去加載，首先要仿真，尤其是對(duì)比較大型一點(diǎn)的程序，想像自己是在做asic，是沒(méi)有二次機(jī)會(huì)的，所以一定要把仿真做好，還有很多新手對(duì)于語(yǔ)言的學(xué)習(xí)不知道選vhdl好還是verilog好，個(gè)人偏好verilog，當(dāng)然不是說(shuō)vhdl不好，反正寫(xiě)出來(lái)的都是電路，那當(dāng)然就不要在語(yǔ)言的語(yǔ)法上面花太多的功夫了，verilog 言簡(jiǎn)意賅assign always case if else 掌握這些幾乎可以寫(xiě)出90%的電路了，上面是我對(duì)FPGA學(xué)習(xí)的一些愚見(jiàn)，希望對(duì)大家有所幫助。

第三篇：淺談FPGA學(xué)習(xí)

為什么大量的人會(huì)覺(jué)得FPGA難學(xué)？一位高人決心開(kāi)貼來(lái)詳細(xì)講一下菜鳥(niǎo)覺(jué)得FPGA難學(xué)的幾大原因。

1、不熟悉FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不了解可編程邏輯器件的基本原理。

FPGA為什么是可以編程的？恐怕很多菜鳥(niǎo)不知道，他們也不想知道。因?yàn)樗麄冇X(jué)得這是無(wú)關(guān)緊要的。他們潛意識(shí)的認(rèn)為可編程嘛，肯定就是像寫(xiě)軟件一樣啦。軟件編程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C語(yǔ)言或者其它軟件編程語(yǔ)言一樣。一條條的讀，一條條的分析。如果這些菜鳥(niǎo)們始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要想學(xué)會(huì)FPGA恐怕是天方夜譚。雖然現(xiàn)在EDA軟件已經(jīng)非常先進(jìn)，像寫(xiě)軟件那樣照貓畫(huà)虎也能綜合出點(diǎn)東西，但也許只有天知道EDA軟件最后綜合出來(lái)的到底是什么。也許點(diǎn)個(gè)燈，跑個(gè)馬還行。這樣就是為什么很多菜鳥(niǎo)學(xué)了N久以后依然是一個(gè)菜鳥(niǎo)的原因。那么FPGA為什么是可以“編程”的呢？首先來(lái)了解一下什么叫“程”。啟示“程”只不過(guò)是一堆具有一定含義的01編碼而已。編程，其實(shí)就是編寫(xiě)這些01編碼。只不過(guò)我們現(xiàn)在有了很多開(kāi)發(fā)工具，通常都不是直接編寫(xiě)這些01編碼，而是以高級(jí)語(yǔ)言的形式來(lái)編寫(xiě)，最后由開(kāi)發(fā)工具轉(zhuǎn)換為這種01編碼而已。對(duì)于軟件編程而言，處理器會(huì)有一個(gè)專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號(hào)，然后控制其內(nèi)部的電路完成一個(gè)個(gè)的運(yùn)算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的讀，因?yàn)檐浖牟僮魇且徊揭徊酵瓿傻?。而FPGA的可編程，本質(zhì)也是依靠這些01編碼實(shí)現(xiàn)其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來(lái)再去控制一個(gè)運(yùn)算電路，F(xiàn)PGA里面沒(méi)有這些東西。FPGA內(nèi)部主要有三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊。可編程的邏輯單元是什么？其基本結(jié)構(gòu)由某種存儲(chǔ)器（SRAM、FLASH等）制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”加上一個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。任何一個(gè)4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對(duì)應(yīng)的“真值表”，同樣的如果用這么一個(gè)存儲(chǔ)器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內(nèi)部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。這些“真值表”內(nèi)部值是什么？就是那些01編碼而已。如果要實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路怎么辦？這不又D觸發(fā)器嘛，任何的時(shí)序邏輯都可以轉(zhuǎn)換為組合邏輯+D觸發(fā)器來(lái)完成。但這畢竟只實(shí)現(xiàn)了4輸入1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規(guī)模那是相當(dāng)?shù)拇笈?。那怎么辦呢？這個(gè)時(shí)候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲(chǔ)器控制的連接點(diǎn)，通過(guò)改寫(xiě)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開(kāi)的。這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來(lái)形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實(shí)是FPGA作為芯片級(jí)使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個(gè)非專用引腳（FPGA中有專門的非用戶可使用的測(cè)試、下載用引腳）為輸入還是輸出，還可以對(duì)IO的電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。總歸一句話，F(xiàn)PGA之所以可編程是因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)特殊的01代碼制作成一張張“真值表”，并將這些“真值表”組合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的邏輯功能。不了解FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無(wú)法深入的了解如何能夠充分運(yùn)用FPGA?，F(xiàn)在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯電路設(shè)計(jì)，是從菜鳥(niǎo)邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內(nèi)部邏輯及其工作原理起。

2、錯(cuò)誤理解HDL語(yǔ)言，怎么看都看不出硬件結(jié)構(gòu)。

HDL語(yǔ)言的英語(yǔ)全稱是：Hardware Description Language，注意這個(gè)單詞Description，而不是Design。老外為什么要用Description這個(gè)詞而不是Design呢？因?yàn)镠DL確實(shí)不是用來(lái)設(shè)計(jì)硬件的，而僅僅是用來(lái)描述硬件的。描述這個(gè)詞精確地反映了HDL語(yǔ)言的本質(zhì)，HDL語(yǔ)言不過(guò)是已知硬件電路的文本表現(xiàn)形式而已，只是將以后的電路用文本的形式描述出來(lái)而已。而在編寫(xiě)語(yǔ)言之前，硬件電路應(yīng)該已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)了。語(yǔ)言只不過(guò)是將這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來(lái)了，直接拿去制作

部就完了，為什么還要轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式再通過(guò)EDA工具這些麻煩的流程呢？其實(shí)這就是很多菜鳥(niǎo)沒(méi)有了解設(shè)計(jì)的抽象層次的問(wèn)題，任何設(shè)計(jì)包括什么服裝、機(jī)械、廣告設(shè)計(jì)都有一個(gè)抽象層次的問(wèn)題。就拿廣告設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)吧，最初的設(shè)計(jì)也許就是一個(gè)概念，設(shè)計(jì)出這個(gè)概念也是就是一個(gè)點(diǎn)子而已，離最終拍成廣告還差得很遠(yuǎn)。硬件設(shè)計(jì)也是有不同的抽象層次，每一個(gè)層次都需要設(shè)計(jì)。最高的抽象層次為算法級(jí)、然后依次是體系結(jié)構(gòu)級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、門級(jí)、物理版圖級(jí)。使用HDL的好處在于我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一個(gè)寄存器傳輸級(jí)的電路，那么用HDL描述以后轉(zhuǎn)化為文本的形式，剩下的向更低層次的轉(zhuǎn)換就可以讓EDA工具去做了，這就大大的降低了工作量。這就是可綜合的概念，也就是說(shuō)在對(duì)這一抽象層次上硬件單元進(jìn)行描述可以被EDA工具理解并轉(zhuǎn)化為底層的門級(jí)電路或其他結(jié)構(gòu)的電路。在FPGA設(shè)計(jì)中，就是在將這以抽象層級(jí)的意見(jiàn)描述成HDL語(yǔ)言，就可以通過(guò)FPGA開(kāi)發(fā)軟件轉(zhuǎn)化為問(wèn)題1中所述的FPGA內(nèi)部邏輯功能實(shí)現(xiàn)形式。HDL也可以描述更高的抽象層級(jí)如算法級(jí)或者是體系結(jié)構(gòu)級(jí)，但目前受限于EDA軟件的發(fā)展，EDA軟件還無(wú)法理解這么高的抽象層次，所以HDL描述這樣抽象層級(jí)是無(wú)法被轉(zhuǎn)化為較低的抽象層級(jí)的，這也就是所謂的不可綜合。所以在閱讀或編寫(xiě)HDL語(yǔ)言，尤其是可綜合的HDL，不應(yīng)該看到的是語(yǔ)言本身，而是要看到語(yǔ)言背后所對(duì)應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)。如果看到的HDL始終是一條條的代碼，那么這種人永遠(yuǎn)擺脫不了菜鳥(niǎo)的宿命。假如哪一天看到的代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊，那么恭喜脫離了菜鳥(niǎo)的級(jí)別，進(jìn)入不那么菜的鳥(niǎo)級(jí)別。

3、FPGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外這一點(diǎn)恐怕也是很多學(xué)FPGA的菜鳥(niǎo)最難理解的地方。

FPGA是給誰(shuí)用的？很多學(xué)校解釋為給學(xué)微電子專業(yè)或者集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生用的，其實(shí)這不過(guò)是很多學(xué)校受資金限制，買不起專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)工具而用FPGA工具替代而已。其實(shí)FPGA是給設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個(gè)電子設(shè)備，如基站、機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控設(shè)備等。當(dāng)現(xiàn)有芯片無(wú)法滿足系統(tǒng)的需求時(shí)，就需要用FPGA來(lái)快速的定義一個(gè)能用的芯片。前面說(shuō)了，F(xiàn)PGA里面無(wú)法就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)非就是考慮如何將這些以后資源組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設(shè)計(jì)工程師那樣一直要關(guān)注到最后芯片是不是能夠被制造出來(lái)。本質(zhì)上和利用現(xiàn)有芯片組合成不同的電子系統(tǒng)沒(méi)有區(qū)別，只是需要關(guān)注更底層的資源而已。要想把FPGA用起來(lái)還是簡(jiǎn)單的，因?yàn)闊o(wú)非就是那些資源，在理解了前面兩點(diǎn)再搞個(gè)實(shí)驗(yàn)板，跑跑實(shí)驗(yàn)，做點(diǎn)簡(jiǎn)單的東西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂點(diǎn)FPGA知識(shí)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。因?yàn)樽罱K要讓FPGA里面的資源如何組合，實(shí)現(xiàn)何種功能才能滿足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識(shí)。

目前FPGA的應(yīng)用主要是三個(gè)方向：

第一個(gè)方向，也是傳統(tǒng)方向主要用于通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì)，這一方向主要是用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換。這類應(yīng)用通常要求采用具備高速收發(fā)接口的FPGA，同時(shí)要求設(shè)計(jì)者懂得高速接口電路設(shè)計(jì)和高速數(shù)字電路板級(jí)設(shè)計(jì)，具備EMC/EMI設(shè)計(jì)知識(shí)，以及較好的模擬電路基礎(chǔ)，需要解決在高速收發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)完整性問(wèn)題。FPGA最初以及到目前最廣的應(yīng)用就是在通信領(lǐng)域，一方面通信領(lǐng)域需要高速的通信協(xié)議處理方式，另一方面通信協(xié)議隨時(shí)在修改，非常不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為首選。到目前為止FPGA的一半以上的應(yīng)用也是在通信行業(yè)。

第二個(gè)方向，可以稱為數(shù)字信號(hào)處理方向或者數(shù)學(xué)計(jì)算方向，因?yàn)楹艽蟪潭壬线@一方向已經(jīng)大大超出了信號(hào)處理的范疇。例如早就在2006年就聽(tīng)說(shuō)老美將FPGA用于金融數(shù)據(jù)分析，后來(lái)又見(jiàn)到有將FPGA用于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析的案例。在這一方向要求FPGA設(shè)計(jì)者有一定的數(shù)學(xué)功底，能夠理解并改進(jìn)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，并利用FPGA內(nèi)部的各種資源使之能夠變?yōu)閷?shí)際的運(yùn)算電路。目前真正投入實(shí)用的還是在通信領(lǐng)域的無(wú)線信號(hào)處理、信道編解碼以及圖像信號(hào)處理等領(lǐng)域，其它領(lǐng)域的研究正在開(kāi)展中，之所以沒(méi)有大量實(shí)用的主要原因還是因?yàn)閷W(xué)金融的、學(xué)醫(yī)學(xué)的不了解這玩意。不過(guò)最近發(fā)現(xiàn)歐美有很多電子工程、計(jì)算機(jī)類的博士轉(zhuǎn)入到金融行業(yè)，開(kāi)展金融信號(hào)處理，相信隨著轉(zhuǎn)入的人增加，F(xiàn)PGA在其它領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算功能會(huì)更好的發(fā)揮出來(lái)，而我也有意做一些這些方面的研究。不過(guò)國(guó)內(nèi)學(xué)金融的、學(xué)醫(yī)的恐怕連數(shù)學(xué)都很少用到，就不用說(shuō)用FPGA來(lái)幫助他們完成數(shù)學(xué)_運(yùn)算了，這個(gè)問(wèn)題只有再議了。

第三個(gè)方向，就是所謂的SOPC方向，其實(shí)嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)這個(gè)已經(jīng)在FPGA設(shè)計(jì)的范疇之外，只不過(guò)是利用FPGA這個(gè)平臺(tái)搭建的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設(shè)計(jì)者主要是在上面進(jìn)行嵌入式軟件開(kāi)發(fā)而已。設(shè)計(jì)對(duì)于FPGA本身來(lái)說(shuō)是相當(dāng)少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實(shí)際上需要用到第二個(gè)方向的知識(shí)，而如果需要設(shè)計(jì)專用的接口電路則需要用到第一個(gè)方向的知識(shí)。

就目前SOPC方向發(fā)展其實(shí)遠(yuǎn)不如第一和第二個(gè)方向，其主要原因是因?yàn)镾OPC以FPGA為主，或者是在FPGA內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)一個(gè)“軟”的處理器，或者是在FPGA內(nèi)部嵌入一個(gè)處理器核。但大多數(shù)的嵌入式設(shè)計(jì)卻是以軟件為核心，以現(xiàn)有的硬件發(fā)展情況來(lái)看，多數(shù)情況下的接口都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并不需要那么大的FPGA邏輯資源去設(shè)計(jì)太過(guò)復(fù)雜的接口。而且就目前看來(lái)SOPC相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具還非常的不完善，以ARM為代表的各類嵌入式處理器開(kāi)發(fā)工具早已深入人心，大多數(shù)以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的接口，大量成系列的單片機(jī)/嵌入式處理器提供了相關(guān)行業(yè)所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬件場(chǎng)合確實(shí)很少。通常是在一些特種行業(yè)才會(huì)在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情況不會(huì)有太大改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機(jī)還在嵌入式領(lǐng)域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來(lái)體現(xiàn)價(jià)值的。我曾經(jīng)看好的是cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想是在SOC芯片里面去嵌入那么一小塊FPGA，那這樣其實(shí)可以滿足嵌入式的那些微小的硬件接口差異，比如某個(gè)運(yùn)用需要4個(gè)USB，而通常的處理器不會(huì)提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來(lái)提供多的USB接口。而另一種運(yùn)用需要6個(gè)UART，也可以用同樣的方法完成。對(duì)于嵌入式設(shè)計(jì)公司來(lái)說(shuō)他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設(shè)計(jì)中各種微小的差異變化。其主要的差異化仍然是通過(guò)軟件來(lái)完成。但目前cypress過(guò)于封閉，如果其采用ARM作為處理器內(nèi)核，借助其完整的工具鏈。同時(shí)開(kāi)放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設(shè)計(jì)，其實(shí)是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過(guò)，Psoc的思想也不知道何時(shí)能夠發(fā)光。

4、數(shù)字邏輯知識(shí)是根本。

無(wú)論是FPGA的哪個(gè)方向，都離不開(kāi)數(shù)字邏輯知識(shí)的支撐。FPGA說(shuō)白了是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)

字邏輯的方式而已。如果連最基本的數(shù)字邏輯的知識(shí)都有問(wèn)題，學(xué)習(xí)FPGA的愿望只是空中樓閣而已。而這，恰恰是很多菜鳥(niǎo)最不愿意去面對(duì)的問(wèn)題。數(shù)字邏輯是任何電子電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，也是必須要學(xué)好的一門課。很多人無(wú)非是學(xué)習(xí)了，考個(gè)試，完了。如果不能將數(shù)字邏輯知識(shí)爛熟于心，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，學(xué)FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終是一場(chǎng)空的。以上四條只是我目前總結(jié)菜鳥(niǎo)們?cè)趯W(xué)習(xí)FPGA時(shí)所最容易跑偏的地方，F(xiàn)PGA的學(xué)習(xí)其實(shí)就像學(xué)習(xí)圍棋一樣，學(xué)會(huì)如何在棋盤上落子很容易，成為一位高手卻是難上加難。

第四篇：FPGA學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

FPGA是什么？FPGA現(xiàn)狀？怎樣學(xué)習(xí)FPGA？

FPGA是什么？

FPGA是什么？FPGA現(xiàn)狀？怎樣學(xué)習(xí)FPGA？

FPGA是什么介紹

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的簡(jiǎn)稱，F(xiàn)PGA的應(yīng)用領(lǐng)域最初為通信領(lǐng)域，但目前，隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，可編程邏輯嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍遍及航空航天、醫(yī)療、通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊、安防、廣播、汽車電子、工業(yè)、消費(fèi)類市場(chǎng)、測(cè)量測(cè)試等多個(gè)熱門領(lǐng)域。并隨著工藝的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展，向更多、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。越來(lái)越多的設(shè)計(jì)也開(kāi)始以ASIC轉(zhuǎn)向FPGA，F(xiàn)PGA正以各種電子產(chǎn)品的形式進(jìn)入了我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)角落。

FPGA人才需求

中國(guó)每年對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)人才的需求缺口巨大，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人才的薪水也是行業(yè)內(nèi)最高的。目前，美國(guó)已有FPGA人才40多萬(wàn)，中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也有7萬(wàn)多，而中國(guó)內(nèi)地僅有1萬(wàn)左右，可見(jiàn)中國(guó)渴望有更多的FPGA人才涌現(xiàn)出來(lái)。

如何學(xué)習(xí)FPGA？

FPGA對(duì)我們?nèi)绱酥匾?，那么?duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，到底該如何學(xué)習(xí)FPGA呢？學(xué)習(xí)一門技術(shù)最好有合適的指導(dǎo)老師，這樣對(duì)掌握FPGA技術(shù)更容易，可惜的是大部分的學(xué)校還未開(kāi)設(shè)相關(guān)的課程，也缺少具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的老師，那么如何才能找到一種捷徑幫助初學(xué)者快速學(xué)會(huì)如此具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)呢？

（1）掌握FPGA的編程語(yǔ)言

在學(xué)習(xí)一門技術(shù)之前我們往往從它的編程語(yǔ)言開(kāi)始，如同學(xué)習(xí)單片機(jī)一樣，我們從C語(yǔ)言開(kāi)始入門，當(dāng)掌握了C語(yǔ)言之后，開(kāi)發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序也就不是什么難事了。學(xué)習(xí)FPGA也是如此，F(xiàn)PGA的編程語(yǔ)言有兩種：VHDL和Verilog，這兩種語(yǔ)言都適合用于FPGA的編程，VHDL是由美國(guó)軍方組織開(kāi)發(fā)的，在1987年就成為了IEEE的標(biāo)準(zhǔn)；而Verilog則是由一家民間企業(yè)的私有財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的，由于其優(yōu)越性特別突出，于是在1995年也成為了IEEE標(biāo)準(zhǔn)。VHDL在歐洲的應(yīng)用較為廣泛，而Verilog在中國(guó)、美國(guó)、日本、臺(tái)灣等地應(yīng)用較為廣泛，作者比較推崇是Verilog，因?yàn)樗浅Ｒ子趯W(xué)習(xí)，很類似于C語(yǔ)言，如果具有C語(yǔ)言基礎(chǔ)的人，只需要花很少的時(shí)間便能迅速掌握Verilog，而VHDL則較為抽象，學(xué)習(xí)的時(shí)間較長(zhǎng)。作為在校大學(xué)生，學(xué)習(xí)Verilog的最好時(shí)期是在大學(xué)二年級(jí)開(kāi)設(shè)《電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）》時(shí)同步學(xué)習(xí)，不僅能夠理解數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的方式，更能通過(guò)FPGA將數(shù)字電路得以實(shí)現(xiàn)。大

三、大四的學(xué)生還可以進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)習(xí)Verilog，建議以北京航天航空大學(xué)出版社出版的由夏宇聞教授編寫(xiě)的《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程（第二版）》作為藍(lán)本，本書(shū)比較全面地、詳細(xì)地介紹了Verilog的基本語(yǔ)法。如果是其他初學(xué)者，可以直接借助《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程（第二版）》和本書(shū)即能全面掌握Verilog的語(yǔ)法，這是學(xué)習(xí)FPGA的第一步，也是必不可少的一步。

（2）FPGA實(shí)驗(yàn)尤為重要

除了學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言以外，更重要的是實(shí)踐，將自己設(shè)計(jì)的程序能夠在真正的FPGA里運(yùn)行起來(lái)，這時(shí)我們需要選一塊板子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一般的紅色颶風(fēng)的板子基本上可以滿足大家的需求，大家感興趣的不妨買一塊做做實(shí)驗(yàn)。

（3）FPGA培訓(xùn)不可忽視

在有條件的情況下，參加FPGA的培訓(xùn)可以在短時(shí)間內(nèi)大幅提升自己的水平，因?yàn)橛欣蠋煄е梢允∪チ撕芏鄰澛?。筆者在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)一個(gè)北京至芯科技FPGA培訓(xùn)班http:/// 感興趣的朋友可以去看看,網(wǎng)上也有很多的視頻資源,也可下下來(lái)看看.我想只要大家想學(xué)FPGA,想從事FPGA工作,總會(huì)有辦法找到適合自己的方法

如何學(xué)習(xí)FGPA

第一步：學(xué)習(xí)了解FPGA結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA到底是什么東西，芯片里面有什么，不要開(kāi)始就拿個(gè)開(kāi)發(fā)板照著別人的東西去編程。很多開(kāi)發(fā)板的程序?qū)懙暮軤€，我也做過(guò)一段時(shí)間的開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)，我覺(jué)得很大程度上，開(kāi)發(fā)板在誤人子弟。不過(guò)原廠提供的正品開(kāi)發(fā)板，代碼很優(yōu)秀的，可以借鑒。只有了解了FPGA內(nèi)部的結(jié)構(gòu)才能明白為什么寫(xiě)Verilog和寫(xiě)C整體思路是不一樣的。

第二步：掌握FPGA設(shè)計(jì)的流程。了解每一步在做什么，為什么要那么做。很多人都是不就是那幾步嗎，有什么奇怪的？呵呵，我想至少有一半以上的人不知道synthesize和traslate的區(qū)別吧。

了解了FPGA的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程才有可能知道怎么去優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高速度，減少資源，不要急躁，不要去在為選擇什么語(yǔ)言和選擇哪個(gè)公司的芯片上下功夫。語(yǔ)言只是一個(gè)表達(dá)的方式，重要的是你的思維，沒(méi)有一個(gè)好的指導(dǎo)思想，語(yǔ)言用得再好，不過(guò)是個(gè)懂語(yǔ)言的人。第三步：開(kāi)始學(xué)習(xí)代碼了。我建議要學(xué)代碼的人都去Altera或Xilinx的網(wǎng)站上下原廠工程師的代碼學(xué)習(xí)。不要一開(kāi)始就走入誤區(qū)

做fpga主要是要有電路的思想：

作為初學(xué)者，往往對(duì)器件可能不是熟悉，那么應(yīng)該對(duì)于數(shù)字電路的知識(shí)很熟悉吧，fpga中是由觸發(fā)器和查找表以及互聯(lián)線等基本結(jié)構(gòu)組成的，其實(shí)在我們?cè)诖a里面能夠看到的就是與非門以及觸發(fā)器，不要把verilog和c語(yǔ)言等同起來(lái)，根本就是不同的東西，沒(méi)有什么可比性，在寫(xiě)一句程序的時(shí)候應(yīng)該想到出來(lái)的是一個(gè)什么樣的電路，計(jì)數(shù)器 選擇器 三態(tài)門等等，理解時(shí)序，邏輯是一拍一拍的東西，在設(shè)計(jì)初期想的不是很清楚的時(shí)候可以畫(huà)畫(huà)時(shí)序圖，這樣思路會(huì)更加的清晰，還有就是仿真很重要，不要寫(xiě)完程序就去往fpga中去加載，首先要仿真，尤其是對(duì)比較大型一點(diǎn)的程序，想象自己是在做asic，是沒(méi)有二次機(jī)會(huì)的，所以一定要把仿真做好，還有很多新手對(duì)于語(yǔ)言的學(xué)習(xí)不知道選vhdl好還是verilog好，個(gè)人偏好verilog，當(dāng)然不是說(shuō)vhdl不好，反正寫(xiě)出來(lái)的都是電路，那當(dāng)然就不要在語(yǔ)言的語(yǔ)法上面花太多的功夫了，verilog 言簡(jiǎn)意賅

assignalwayscase if else 掌握這些幾乎可以寫(xiě)出90%的電路了，Verilog經(jīng)驗(yàn)談

規(guī)范很重要

工作過(guò)的朋友肯定知道，公司里是很強(qiáng)調(diào)規(guī)范的，特別是對(duì)于大的設(shè)計(jì)（無(wú)論軟件還是硬件），不按照規(guī)范走幾乎是不可實(shí)現(xiàn)的。邏輯設(shè)計(jì)也是這樣：如果不按規(guī)范做的話，過(guò)一個(gè)月后調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)有錯(cuò)，回頭再看自己寫(xiě)的代碼，估計(jì)很多信號(hào)功能都忘了，更不要說(shuō)檢錯(cuò)了；如果一個(gè)項(xiàng)目做了一半一個(gè)人走了，接班的估計(jì)得從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)；如果需要在原來(lái)的版本基礎(chǔ)上增加新功能，很可能也得從頭來(lái)過(guò)，很難做到設(shè)計(jì)的可重用性。在邏輯方面，我覺(jué)得比較重要的規(guī)范有這些：

1.設(shè)計(jì)必須文檔化。要將設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)等寫(xiě)入文檔，然后經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后才能進(jìn)行下一步的工作。這樣做乍看起來(lái)很花時(shí)間，但是從整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程來(lái)看，絕對(duì)要比一上來(lái)就寫(xiě)代碼要節(jié)約時(shí)間，且這種做法可以使項(xiàng)目處于可控、可實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。

2.代碼規(guī)范。

a.設(shè)計(jì)要參數(shù)化。比如一開(kāi)始的設(shè)計(jì)時(shí)鐘周期是30ns，復(fù)位周期是5個(gè)時(shí)鐘周期，我們可以這么寫(xiě)：

parameterCLK_PERIOD = 30;

parameterRST_MUL_TIME = 5;

parameterRST_TIME = RST_MUL_TIME * CLK_PERIOD;

...rst_n = 1'b0;

# RST_TIME rst_n = 1'b1;

...# CLK_PERIOD/2 clk <= ~clk;

如果在另一個(gè)設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘是40ns，復(fù)位周期不變，我們只需對(duì)CLK_PERIOD進(jìn)行重新例化就行了，從而使得代碼更加易于重用。

b.信號(hào)命名要規(guī)范化。

1)信號(hào)名一律小寫(xiě)，參數(shù)用大寫(xiě)。

2)對(duì)于低電平有效的信號(hào)結(jié)尾要用_n標(biāo)記，如rst_n。

3)端口信號(hào)排列要統(tǒng)一，一個(gè)信號(hào)只占一行，最好按輸入輸出及從哪個(gè)模塊來(lái)到哪個(gè)模塊去的關(guān)系排列，這樣在后期仿真驗(yàn)證找錯(cuò)時(shí)后方便很多。如： module a（//input

clk,rst_n,//globle signal

wren,rden,avalon_din,//related to avalon bus

sdi,//related to serial port input

//output

data_ready,avalon_dout, //related to avalon bus

...);

4)一個(gè)模塊盡量只用一個(gè)時(shí)鐘，這里的一個(gè)模塊是指一個(gè)module或者是一個(gè)entity。在多時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中涉及到跨時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中最好有專門一個(gè)模塊做時(shí)鐘域的隔離。這樣做可以讓綜合器綜合出更優(yōu)的結(jié)果。

5)盡量在底層模塊上做邏輯，在高層盡量做例化，頂層模塊只能做例化，禁止出現(xiàn)任何膠連邏輯（glue logic），哪怕僅僅是對(duì)某個(gè)信號(hào)取反。理由同上。

6)在FPGA的設(shè)計(jì)上禁止用純組合邏輯產(chǎn)生latch，帶D觸發(fā)器的latch的是允許的，比如配置寄存器就是這種類型。

7)一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)入FPGA的信號(hào)必須先同步，以提高系統(tǒng)工作頻率（板級(jí)）。

8）所有模塊的輸出都要寄存器化，以提高工作頻率，這對(duì)設(shè)計(jì)做到時(shí)序收斂也是極有好處的。

9)除非是低功耗設(shè)計(jì)，不然不要用門控時(shí)鐘--這會(huì)增加設(shè)計(jì)的不穩(wěn)定性，在要用到門控時(shí)鐘的地方，也要將門控信號(hào)用時(shí)鐘的下降沿 打一拍再輸出與時(shí)鐘相與。

clk_gate_en------------

-----------------|DQ |------------------| gate_clk

_out

||---------|)--------

------o|>|||/

clk|--------|----

-----

10)禁止用計(jì)數(shù)器分頻后的信號(hào)做其它模塊的時(shí)鐘，而要用改成時(shí)鐘使能的方式，否則這種時(shí)鐘滿天飛的方式對(duì)設(shè)計(jì)的可靠性極為不利，也大大增加了靜態(tài)時(shí)序分析的復(fù)雜性。如FPGA的輸入時(shí)鐘是25M的，現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部要通過(guò)RS232與PC通信，要以rs232_1xclk的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。不要這樣做：always(posedge rs232_1xclk or negedge rst_n)

begin

...end

而要這樣做：

always(posedge clk_25m or negedge rst_n)

begin

...else if(rs232_1xclk == 1'b1)

...end

11)狀態(tài)機(jī)要寫(xiě)成3段式的(這是最標(biāo)準(zhǔn)的寫(xiě)法)，即

...always @(posedge clk or negedge rst_n)

...current_state <= next_state;

...always @(current_state...)

...case(current_state)

...s1:

if...next_state = s2;

......always @(posedge clk or negedge rst_n)

...else

a <= 1'b0;

c <= 1'b0;

c <= 1'b0;//賦默認(rèn)值

case(current_state)

s1:

a <= 1'b0;//由于上面賦了默認(rèn)值，這里就不用再對(duì)b、c賦值了(b、c在該狀態(tài)為0，不會(huì)產(chǎn)生鎖存器，下同)s2:

b <= 1'b1;

s3:

c <= 1'b1;

default:

......3.ALTERA參考設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1)Ensure Clock, Preset, and Clear configurations are free of glitch

es.2)Never use Clocks consisting of more than one level of combinatori

al logic.3)Carefully calculate setup times and hold times for multi-Clock sy

stems.4)Synchronize signals between flipflops in multi-Clock systems when

the setup and hold time requirements cannot be met.5)Ensure that Preset and Clear signals do not contain race conditio

ns.6)Ensure that no other internal race conditions exist.7)Register all glitch-sensitive outputs.Synchronize all asynchronous inputs.9)Never rely on delay chains for pin-to-pin or internal delays.10)Do not rely on Power-On Reset.Use a master Reset pin to clear al

l flipflops.11)Remove any stuck states from state machines or synchronous logic.其它方面的規(guī)范一時(shí)沒(méi)有想到，想到了再寫(xiě)，也歡迎大家補(bǔ)充。

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時(shí)序是設(shè)計(jì)出來(lái)的我的boss有在華為及峻龍工作的背景，自然就給我們講了一些華為及altera做邏輯的一些東西，而我們的項(xiàng)目規(guī)范，也基本上是按華為的那一套去做。在工作這幾個(gè)月中，給我感觸最深的是華為的那句話：時(shí)序是設(shè)計(jì)出來(lái)的，不是仿出來(lái)的，更不是湊出來(lái)的。

在我們公司，每一個(gè)項(xiàng)目都有很嚴(yán)格的評(píng)審，只有評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)了，才能做下一步的工作。以做邏輯為例，并不是一上來(lái)就開(kāi)始寫(xiě)代碼，而是要先寫(xiě)總體設(shè)計(jì)方案和邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，要等這些方案評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)，認(rèn)為可行了，才能進(jìn)行編碼，一般來(lái)說(shuō)這部分工作所占的時(shí)間要遠(yuǎn)大于編碼的時(shí)間。

總體方案主要是涉及模塊劃分，一級(jí)模塊和二級(jí)模塊的接口信號(hào)和時(shí)序（我們要求把接口信號(hào)的時(shí)序波形描述出來(lái)）以及將來(lái)如何測(cè)試設(shè)計(jì)。在這一級(jí)方案中，要保證在今后的設(shè)計(jì)中時(shí)序要收斂到一級(jí)模塊（最后是在二級(jí)模塊中）。什么意思呢？我們?cè)谧鲈敿?xì)設(shè)計(jì)的時(shí)候，對(duì)于一些信號(hào)的時(shí)序肯定會(huì)做一些調(diào)整的，但是這種時(shí)序的調(diào)整最多只能波及到本一級(jí)模塊，而不能影響到整個(gè)設(shè)計(jì)。記得以前在學(xué)校做設(shè)計(jì)的時(shí)候，由于不懂得設(shè)計(jì)時(shí)序，經(jīng)常因?yàn)橛幸惶幮盘?hào)的時(shí)序不滿足，結(jié)果不得不將其它模塊信號(hào)的時(shí)序也改一下，搞得人很郁悶。在邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)方案這一級(jí)的時(shí)候，我們已經(jīng)將各級(jí)模塊的接口時(shí)序都設(shè)計(jì)出來(lái)了，各級(jí)模塊內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的也基本上確定下來(lái)了。由于做到這一點(diǎn)，在編碼的時(shí)候自然就很快了，最重要的是這樣做后可以讓設(shè)計(jì)會(huì)一直處于可控的狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)槟骋惶幍腻e(cuò)誤引起整個(gè)設(shè)計(jì)從頭進(jìn)行。

如何提高電路工作頻率

對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，我們當(dāng)然希望我們?cè)O(shè)計(jì)的電路的工作頻率（在這里如無(wú)特別說(shuō)明，工作頻率指FPGA片內(nèi)的工作頻率）盡量高。我們也經(jīng)常聽(tīng)說(shuō)用資源換速度，用流水的方式可以提高工作頻率，這確實(shí)是一個(gè)很重要的方法，今天我想進(jìn)一步去分析該如何提高電路的工作頻率。

我們先來(lái)分析下是什么影響了電路的工作頻率。

我們電路的工作頻率主要與寄存器到寄存器之間的信號(hào)傳播時(shí)延及clock skew有關(guān)。在FPGA內(nèi)部如果時(shí)鐘走長(zhǎng)線的話，clock skew很小，基本上可以忽略, 在這里為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們只考慮信號(hào)的傳播時(shí)延的因素。信號(hào)的傳播時(shí)延包括寄存器的開(kāi)關(guān)時(shí)延、走線時(shí)延、經(jīng)過(guò)組合邏輯的時(shí)延（這樣劃 分或許不是很準(zhǔn)確，不過(guò)對(duì)分析問(wèn)題來(lái)說(shuō)應(yīng)該是沒(méi)有可以的），要提高電路的工作頻率，我們就要在這三個(gè)時(shí)延中做文章，使其盡可能的小。

我們先來(lái)看開(kāi)關(guān)時(shí)延，這個(gè)時(shí)延是由器件物理特性決定的，我們沒(méi)有辦法去改變，所以我們只能通過(guò)改變走線方式和減少組合邏輯的方法來(lái)提高工作頻率。

1.通過(guò)改變走線的方式減少時(shí)延。

以altera的器件為例，我們?cè)趒uartus里面的timing closure floorplan可以看到有很多條條塊塊，我們可以將條條塊塊按行和按列分，每一個(gè)條塊代表1個(gè)LAB，每個(gè)LAB里有8個(gè)或者是10個(gè)LE。它們的走線時(shí)延的關(guān)系如下：同一個(gè)LAB中（最快）< 同列或者同

行 < 不同行且不同列。我們通過(guò)給綜合器加適當(dāng)?shù)募s束（不可貪心，一般以加5%裕量較為合適，比如電路工作在100Mhz，則加約束加到105Mhz就可以了，貪心效果反而不好，且極大增加綜合時(shí)間）可以將相關(guān)的邏輯在布線時(shí)盡量布的靠近一點(diǎn)，從而減少走線的時(shí)延。（注：約束的實(shí)現(xiàn)不完全是通過(guò)改進(jìn)布局布線方式去提高工作頻率，還有其它的改進(jìn)措施）

2.通過(guò)減少組合邏輯的減少時(shí)延。

上面我們講了可以通過(guò)加約束來(lái)提高工作頻率，但是我們?cè)谧鲈O(shè)計(jì)之初可萬(wàn)萬(wàn)不可將提高工作頻率的美好愿望寄托在加約束上，我們要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)去避免出現(xiàn)大的組合邏輯，從而提高電路的工作頻率，這才能增強(qiáng)設(shè)計(jì)的可移植性，才可以使得我們的設(shè)計(jì)在移植到另一同等速度級(jí)別的芯片時(shí)還能使用。

我們知道，目前大部分FPGA都基于4輸入LUT的，如果一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)的判斷條件大于四輸入的話就要由多個(gè)LUT級(jí)聯(lián)才能完成，這樣就引入一級(jí)組合邏輯時(shí)延，我們要減少組合邏輯，無(wú)非就是要輸入條件盡可能的少，這樣就可以級(jí)聯(lián)的LUT更少，從而減少了組合邏輯引起的時(shí)延。

我們平時(shí)聽(tīng)說(shuō)的流水就是一種通過(guò)切割大的組合邏輯（在其中插入一級(jí)或多級(jí)D觸發(fā)器，從而使寄存器與寄存器之間的組合邏輯減少）來(lái)提高工作頻率的方法。比如一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的進(jìn)位鏈很長(zhǎng)，必然會(huì)降低工作頻率，我們可以將其分割成4位和8位的計(jì)數(shù)，每當(dāng)4位的計(jì)數(shù)器計(jì)到15后觸發(fā)一次8位的計(jì)數(shù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)器的切割，也提高了工作頻率。

在狀態(tài)機(jī)中，一般也要將大的計(jì)數(shù)器移到狀態(tài)機(jī)外，因?yàn)橛?jì)數(shù)器這東西一般是經(jīng)常是大于4輸入的，如果再和其它條件一起做為狀態(tài)的跳變判據(jù)的話，必然會(huì)增加LUT的級(jí)聯(lián)，從而增大組合邏輯。以一個(gè)6輸入的計(jì)數(shù)器為例，我們?cè)Ｍ?dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111100后狀態(tài)跳變，現(xiàn)在我們將計(jì)數(shù)器放到狀態(tài)機(jī)外，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到111011后產(chǎn)生個(gè)enable信號(hào)去觸發(fā)狀態(tài)跳變，這樣就將組合邏輯減少了。

上面說(shuō)的都是可以通過(guò)流水的方式切割組合邏輯的情況，但是有些情況下我們是很難去切割組合邏輯的，在這些情況下我們又該怎么做呢？

狀態(tài)機(jī)就是這么一個(gè)例子，我們不能通過(guò)往狀態(tài)譯碼組合邏輯中加入流水。如果我們的設(shè)計(jì)中有一個(gè)幾十個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，它的狀態(tài)譯碼邏輯將非常之巨大，毫無(wú)疑問(wèn)，這極有可能是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵路徑。那我們?cè)撛趺醋瞿?？還是老思路，減少組合邏輯。我們可以對(duì)狀態(tài)的輸出進(jìn)行分析，對(duì)它們進(jìn)行重新分類，并根據(jù)這個(gè)重新定義成一組組小狀態(tài)機(jī)，通過(guò)對(duì)輸入進(jìn)行選擇(case語(yǔ)句)并去觸發(fā)相應(yīng)的小狀態(tài)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了將大的狀態(tài)機(jī)切割成小的狀態(tài)機(jī)。在ATA6的規(guī)范中（硬盤的標(biāo)準(zhǔn)），輸入的命令大概有20十種，每一個(gè)命令又對(duì)應(yīng)很多種狀態(tài)，如果用一個(gè)大的狀態(tài)機(jī)（狀態(tài)套狀態(tài)）去做那是不可 想象的，我們可以通過(guò)case語(yǔ)句去對(duì)命令進(jìn)行譯碼，并觸發(fā)相應(yīng)的狀態(tài)機(jī)，這樣做下來(lái)這一個(gè)模塊的頻率就可以跑得比較高了。

總結(jié)：提高工作頻率的本質(zhì)就是要減少寄存器到寄存器的時(shí)延，最有效的方法就是避免出現(xiàn)大的組合邏輯，也就是要盡量去滿足四輸入的條件，減少

LUT級(jí)聯(lián)的數(shù)量。我們可以通過(guò)加約束、流水、切割狀態(tài)的方法提高工作頻率。

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做邏輯的難點(diǎn)在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證

剛?cè)ス镜臅r(shí)候BOSS就和我講，做邏輯的難點(diǎn)不在于RTL級(jí)代碼的設(shè)計(jì)，而在于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證方面。目前國(guó)內(nèi)對(duì)可綜合的設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)的比較多，而對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證方面似乎還沒(méi)有什么資料，這或許也從一個(gè)側(cè)面反映了國(guó)內(nèi)目前的設(shè)計(jì)水平還比較低下吧。

以前在學(xué)校的時(shí)候，總是覺(jué)得將RTL級(jí)代碼做好就行了，仿真驗(yàn)證只是形式而已，所以對(duì)HDL的行為描述方面的語(yǔ)法不屑一顧，對(duì)testbench也一直不愿意去學(xué)--因?yàn)橛X(jué)得畫(huà)波形圖方便；對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是一點(diǎn)都不懂了。到了公司接觸了些東西才發(fā)現(xiàn)完全不是這樣。

其實(shí)在國(guó)外，花在仿真驗(yàn)證上的時(shí)間和人力大概是花在RTL級(jí)代碼上的兩倍，現(xiàn)在仿真驗(yàn)證才是百萬(wàn)門級(jí)芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵路徑。仿真驗(yàn)證的難點(diǎn)主要在于怎么建模才能完全和準(zhǔn)確地去驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性（主要是提高代碼覆蓋），在這過(guò)程中，驗(yàn)證速度也是很重要的。

驗(yàn)證說(shuō)白了也就是怎么產(chǎn)生足夠覆蓋率的激勵(lì)源，然后怎么去檢測(cè)錯(cuò)誤。我個(gè)人認(rèn)為，在仿真驗(yàn)證中，最基本就是要做到驗(yàn)證的自動(dòng)化。這也是為什么我們要寫(xiě)testbench的原因。在我現(xiàn)在的一個(gè)設(shè)計(jì)中，每次跑仿真都要一個(gè)小時(shí)左右（這其實(shí)算小設(shè)計(jì)）。

由于畫(huà)波形圖無(wú)法做到驗(yàn)證自動(dòng)化，如果用通過(guò)畫(huà)波形圖來(lái)仿真的話，一是畫(huà)波形會(huì)畫(huà)死（特別是對(duì)于算法復(fù)雜的、輸入呈統(tǒng)計(jì)分布的設(shè)計(jì)），二是看波形圖要看死，三是檢錯(cuò)率幾乎為零。

那么怎么做到自動(dòng)化呢？我個(gè)人的水平還很有限，只能簡(jiǎn)單地談下BFM（bus function model，總線功能模型）。

以做一個(gè)MAC的core為例（背板是PCI總線），那么我們需要一個(gè)MAC_BFM和PCI_BFM及PCI_BM（PCI behavior model）。MAC_BFM的主要功能是產(chǎn)生以太網(wǎng)幀(激勵(lì)源），隨機(jī)的長(zhǎng)度和幀頭，內(nèi)容也是隨機(jī)的,在發(fā)送的同時(shí)也將其復(fù)制一份到PCI_BM中；PCI_BFM的功能則是仿PCI總線的行為，比如被測(cè)收到了一個(gè)正確幀后會(huì)向PCI總線發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，PCI_BFM則會(huì)去響應(yīng)它，并將數(shù)據(jù)收進(jìn)來(lái)；PCI_BM的主要功能是將MAC_BFM發(fā)送出來(lái)的東西與PCI_BFM接收到的東西做比較，由于它具有了MAC_BFM的發(fā)送信息和PCI_BFM的接收信息，只要設(shè)計(jì)合理，它總是可以自動(dòng)地、完全地去測(cè)試被測(cè)是否工作正常，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。

華為在仿真驗(yàn)證方面估計(jì)在國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)是做的比較好的，他們已建立起了比較好的驗(yàn)證平臺(tái)，大部分與通信有關(guān)的BFM都做好了，聽(tīng)我朋友說(shuō)，現(xiàn)在他們只需要將被測(cè)放在測(cè)試平臺(tái)中，并配置好參數(shù)，就可以自動(dòng)地檢測(cè)被測(cè)功能的正確與否。

在功能仿真做完后，由于我們做在是FPGA的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)基本保證RTL級(jí)代碼在綜合結(jié)果和功能仿真結(jié)果的一致性，只要綜合布局布線后的靜態(tài)時(shí)序報(bào)告沒(méi)有違反時(shí)序約束的警告，就可以下到板子上去調(diào)試了。事實(shí)上，在華為中興，他們做FPGA的設(shè)計(jì)時(shí)也是不做時(shí)序仿真的，因?yàn)樽鰰r(shí)序仿真很花時(shí)間，且效果也不見(jiàn)得比看靜態(tài)時(shí)序分析報(bào)告好。

當(dāng)然了，如果是ASIC的設(shè)計(jì)話，它們的仿真驗(yàn)證的工作量要大一些，在涉及到多時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)時(shí)，一般還是做后仿的。不過(guò)在做后仿之前，也一般會(huì)先用形式驗(yàn)證工具和通過(guò)靜態(tài)時(shí)序分序報(bào)告去查看有沒(méi)有違反設(shè)計(jì)要求的地方，這樣做了之后，后仿的工作量可以小很多。

在HDL語(yǔ)言方面，國(guó)內(nèi)語(yǔ)言很多人都在爭(zhēng)論VHDL和verilog哪個(gè)好，其實(shí)我個(gè)人認(rèn)為這并沒(méi)有多大的意義，外面的大公司基本上都是用verilog在做RTL級(jí)的代碼，所以還是建議大家盡量學(xué)verilog。在仿真方面，由于VHDL在行為級(jí)建模方面弱于verilog，用VHDL做仿真模型的很少，當(dāng)然也不是說(shuō)verilog就好，其實(shí)verilog在復(fù)雜的行為級(jí)建模方面的能力也是有限的，比如目前它還不支持?jǐn)?shù)組。在一些復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)中，需要高級(jí)語(yǔ)言做抽象才能描述出行為級(jí)模型。在國(guó)外，仿真建模很多都是用System C和E語(yǔ)言，用verilog的都算是很落后的了，國(guó)內(nèi)華為的驗(yàn)證平臺(tái)好像是用System C寫(xiě)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于我做的設(shè)計(jì)還不夠大，還談不上什么經(jīng)驗(yàn)，只是覺(jué)得必須要具備一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的知識(shí)才行。劃分的首要依據(jù)是功能，之后是選擇合適的總線結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和處理器架構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分要使各部分功能模塊清晰，易于實(shí)現(xiàn)。這一部分我想過(guò)段時(shí)間有一點(diǎn)體會(huì)了再和大家分享，就先不誤導(dǎo)大家了。

第五篇：fpga學(xué)習(xí)心得體會(huì)

fpga學(xué)習(xí)心得體會(huì)

1、該課程實(shí)現(xiàn)了通過(guò)usb 接口將代碼與實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合的功能，并且使我對(duì)EL-S0PC4000 實(shí)驗(yàn)箱有了接觸，了解并掌握了其所具備的一些功能，在實(shí)驗(yàn)中不僅使我學(xué)到了很多知識(shí)，并且其過(guò)程還充滿了樂(lè)趣。

2、QuartusII 軟件及FPGA 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用所采用的語(yǔ)言與我所學(xué)過(guò)的一些語(yǔ)言有所不同，該種語(yǔ)法與C 語(yǔ)言有一些相似之處，但在細(xì)枝末節(jié)上有該語(yǔ)言自己的習(xí)慣，這是學(xué)習(xí)這門語(yǔ)言的要點(diǎn)。學(xué)習(xí)一門語(yǔ)言并不是一周兩周就能速成的，想要掌握這門語(yǔ)言還是需要日后自己不斷地練習(xí)不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，在完成一項(xiàng)工程后所帶來(lái)的成就感也是使我持續(xù)學(xué)習(xí)的動(dòng)力。

3、此外，該門課程與我之前學(xué)習(xí)的數(shù)電這門課程息息相關(guān)，他也是仿真了許多數(shù)電的一些電路，使我對(duì)數(shù)電的理解更加的深刻，既鍛煉了我的動(dòng)手能力，同時(shí)也鍛煉了我的邏輯思維能力。在這幾次的數(shù)電實(shí)驗(yàn)中，我收獲頗多，我們經(jīng)過(guò)老師的教導(dǎo)，學(xué)會(huì)了FPGA，Verilog編程，我們也學(xué)會(huì)了使用Quartus軟件，并用電路板進(jìn)行了多次FGPA實(shí)驗(yàn)，了解了Verilog的設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)中我學(xué)會(huì)了用Quartus軟件繪圖、編碼以及與電路板的連接；實(shí)驗(yàn)中，我遇到了很多問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)老師和同學(xué)們的幫助，我都逐一的解決了這些問(wèn)題并完成了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中我們收獲最多重要的是，結(jié)合電路板進(jìn)行代碼的編譯、調(diào)試，希望以后我們會(huì)有更多的機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)了解verilog編程