FPGA初學(xué)者的入門之道

前言

很多FPGA初學(xué)者，都會懷疑學(xué)習(xí)FPGA有沒有前途，發(fā)展前景怎么樣，到底該怎樣學(xué)習(xí)FPGA？？？各種迷茫，導(dǎo)致無法踏踏實(shí)實(shí)、全身心投入FPGA學(xué)習(xí)與開發(fā)工作中。下面請看看一個死磕FPGA 15年的大神給大家的肺腑之言，相信看完之后的你不在徘徊、不再猶豫、能夠勇往直前。

作為一個從事了15年FPGA行業(yè)的大齡工程師。期間接也觸過一些項目管理和技術(shù)支持之類的工作，但總覺得自己更適合死磕技術(shù)。在FPGA的領(lǐng)域找到未來的指引?！?/p>

做FPGA不只是寫寫代碼

“FPGA作為數(shù)字系統(tǒng)的主角兒，經(jīng)過近20年的突飛猛進(jìn)發(fā)展，大家都明白這個領(lǐng)域的工程師對經(jīng)驗(yàn)是非?？粗氐?，屬于典型的入門簡單，若要精深就很難，做FPGA開發(fā)不只是會寫寫verilog和VHDL代碼這么簡單，而是要設(shè)計芯片，如果按照芯片的設(shè)計要求，才能提高自身的能力?！?/p>

“硬件開發(fā)語言是用來設(shè)計芯片的，而數(shù)字芯片也就是0/1的翻轉(zhuǎn)，HDL能夠逐漸映射出一個個與非門、觸發(fā)器、存儲器，以及他們之間的時序關(guān)系，時時刻刻考慮怎樣設(shè)計才能保證面積小、延遲低。功能做對了還要考慮時序優(yōu)化，即使功能設(shè)計的再完美，代碼寫的再簡潔，設(shè)計的時候沒有考慮時序，一切都是花架子、空擺設(shè)?！?/p>

FPGA是數(shù)字系統(tǒng)的主角

“FPGA逐漸從粘合邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)級角色。開始的時候主要用于做接口、做通信，也就是偏向硬件。如此，最基本的接口協(xié)議便很重要，不懂接口協(xié)議FPGA就是孤家寡人，沒有數(shù)據(jù)的交互，什么都干不了，故一個成熟的FPGA工程師不是熟悉FPGA就好?！?/p>

后來，F(xiàn)PGA開始逐漸用來做做算法、做控制，如果要用FPGA做算法，還需要學(xué)習(xí)更高級的語言做仿真和驗(yàn)證，更重要的是要把算法映射到FPGA的硬件資源或者外設(shè)，并基于速度、面積和功能做平衡，做優(yōu)化。還是挺有挑戰(zhàn)呢。

現(xiàn)在，隨著人工智能、機(jī)器視覺的崛起，F(xiàn)PGA更加偏向系統(tǒng)級設(shè)計，有了軟件算法的異構(gòu)，能夠替代GPU和CPU”.

所以，已經(jīng)在路上的不用回頭，也許你面前溝溝坎坎很難走，甚至有一堵墻遮光蔽日，但是，前途是絕對光明的。

01、FPGA入門之道

對于新手學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計，要從基礎(chǔ)開始做，基礎(chǔ)牢，才有成為高手的可能。

以下幾步是初學(xué)者必須要踏實(shí)走過的：

step 1：

了解FPGA結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA到底是什么東西，芯片里面有什么，不要開始就拿個開發(fā)板照著別人的東西去編程。只有了解了FPGA內(nèi)部的結(jié)構(gòu)才能明白為什么寫Verilog和寫C整體思路是不一樣的。

step2：

了解了FPGA的結(jié)構(gòu)和設(shè)計流程才有可能知道怎么去優(yōu)化設(shè)計，提高速度，減少資源，不要急躁，不要再為選擇什么語言和選擇哪個公司的芯片上下功夫。語言只是一種表達(dá)的方式，重要的是你的思維模式，沒有好的指導(dǎo)思想，語言用得再好，不過是個懂語言的人。

step3：

開始學(xué)習(xí)代碼了。一定要系統(tǒng)的，由淺入深的去學(xué)習(xí)FPGA。

step4：

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)部器件種類相對較單一，用好模板，你的邏輯才能被高效的綜合成FPGA擅長表達(dá)的結(jié)構(gòu)。

做fpga主要是要有電路的思想，作為初學(xué)者，往往對器件可能不是熟悉，但對于數(shù)字電路的知識應(yīng)該很熟悉，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)我們在代碼里面能夠看到的就是與非門以及觸發(fā)器，切記不要把verilog和c語言等同起來，沒有什么可比性，根本就是不同的東西，在寫一句FPGA程序的時候應(yīng)該想到出來的是一個什么樣的電路，計數(shù)器,選擇器 ,三態(tài)門等等，理解時序，邏輯是一拍一拍的東西，如果在設(shè)計初期想的不是很清楚，可以先畫畫時序圖，這樣思路會更加的清晰。

仿真很重要，不要寫完程序就去往fpga中去加載，首先要仿真，尤其是對較大型的程序，想像自己是在做asic，是沒有第二次機(jī)會的，所以一定要把仿真做好。

很多新手對于語言的學(xué)習(xí)不知道選vhdl好還是verilog好，個人偏好verilog，當(dāng)然不是說vhdl不好，反正寫出來的都是電路，那當(dāng)然就不要在語言的語法上面花太多的功夫了，verilog 言簡意賅assign always case if else 掌握這些幾乎可以寫出90%的電路了。

02、FPGA設(shè)計者需修煉的5項基本功

成為一名說得過去的FPGA設(shè)計者，需要練好5項基本功：仿真、綜合、時序分析、調(diào)試、驗(yàn)證。練好這5項基本功，與用好相應(yīng)的EDA工具是同一過程，對應(yīng)關(guān)系如下：

仿真：Modelsim, Quartus II(Simulator Tool) riple，ISim

綜合：Quartus II (Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)，ISE,Vivado

時序：Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)，ISE,Vivado

調(diào)試：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)，Chipscope

驗(yàn)證：Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL語言雖然不是FPGA設(shè)計的全部，但是HDL語言對FPGA設(shè)計的影響貫穿于整個FPGA設(shè)計流程中，與FPGA設(shè)計的5項基本功是相輔相成的。對于FPGA設(shè)計者來說，用好“HDL語言的可綜合子集”可以完成FPGA設(shè)計50%的工作——設(shè)計編碼。用好“HDL語言的驗(yàn)證子集”，可以完成FPGA設(shè)計另外50%的工作——調(diào)試驗(yàn)證。

練好仿真、綜合、時序分析這3項基本功，對于學(xué)習(xí)“HDL語言的可綜合子集”有如下幫助：

通過仿真，可以觀察HDL語言在FPGA中的邏輯行為。

通過綜合，可以觀察HDL語言在FPGA中的物理實(shí)現(xiàn)形式。

通過時序分析，可以分析HDL語言在FPGA中的物理實(shí)現(xiàn)特性。

搭建驗(yàn)證環(huán)境，通過仿真的手段可以檢驗(yàn)FPGA設(shè)計的正確性。

全面的仿真驗(yàn)證可以減少FPGA硬件調(diào)試的工作量。

把硬件調(diào)試與仿真驗(yàn)證方法結(jié)合起來，用調(diào)試解決仿真未驗(yàn)證的問題，用仿真保證已經(jīng)解決的問題不在調(diào)試中再現(xiàn)，可以建立一個回歸驗(yàn)證流程，有助于FPGA設(shè)計項目的維護(hù)。