Verilog HDL高級數(shù)字設計

一、入門首先要掌握HDL（HDL=verilog+VHDL）。

第一句話是：還沒學數(shù)電的先學數(shù)電。然后你可以選擇verilog或者VHDL，有C語言基礎的，建議選擇VHDL。因為verilog太像C了，很容易混淆，最后你會發(fā)現(xiàn)，你花了大量時間去區(qū)分這兩種語言，而不是在學習如何使用它。當然，你思維能轉(zhuǎn)得過來，也可以選verilog，畢竟在國內(nèi)verilog用得比較多。

接下來，首先找本實例抄代碼。抄代碼的意義在于熟悉語法規(guī)則和編譯器（又叫綜合器），常用的集成開發(fā)環(huán)境有：Intel的Quartus、Xilinx的ISE和Vivado、Design Compiler、Synopsys的VCS、Linux下的iverilog、Lattice的Diamond、Microchip的Libero、Synplify pro，然后再模仿著寫，最后不看書也能寫出來。編譯完代碼，就打開RTL圖，看一下綜合出來是什么樣的電路。

HDL是硬件描述語言，突出硬件這一特點，所以要用數(shù)電的思維去思考HDL，而不是用C語言或者其它高級語言，如果不能理解這句話的，可以看《什么是硬件以及什么是軟件》。在這一階段，推薦的教材是《Verilog HDL高級數(shù)字設計》或者是《用于邏輯綜合的VHDL》。不看書也能寫出個三段式狀態(tài)機就可以進入下一階段了。

此外，你手上必須準備Verilog或者VHDL的官方文檔，《verilog_IEEE官方標準手冊-2005_IEEE_P1364》、《IEEE Standard VHDL Language_2008》，以便遇到一些語法問題的時候能查一下。

二、獨立完成中小規(guī)模的數(shù)字電路設計。

現(xiàn)在，你可以設計一些數(shù)字電路了，像交通燈、電子琴、DDS等等，推薦的教材是《Verilog HDL應用程序設計實例精講》。在這一階段，你要做到的是：給你一個指標要求或者時序圖，你能用HDL設計電路去實現(xiàn)它。這里你需要一塊開發(fā)板，可以選Altera的cyclone IV系列，或者Xilinx的Spantan 6。還沒掌握HDL之前千萬不要買開發(fā)板，因為你買回來也沒用。這里你沒必要每次編譯通過就下載代碼，咱們用modelsim仿真（此外還有QuestaSim、NC verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具），如果仿真都不能通過那就不用下載了，肯定不行的。在這里先掌握簡單的testbench就可以了。推薦的教材是《WRITING TESTBENCHES Functional Verification of HDL Models》。

三、掌握設計方法和設計原則。

你可能發(fā)現(xiàn)你綜合出來的電路盡管沒錯，但有很多警告。這個時候，你得學會同步設計原則、優(yōu)化電路，是速度優(yōu)先還是面積優(yōu)先，時鐘樹應該怎樣設計，怎樣同步兩個異頻時鐘等等。推薦的教材是《FPGA權威指南》、《Altera FPGA/CPLD設計》第二版的基礎篇和高級篇兩本。學會加快編譯速度（增量式編譯、LogicLock），靜態(tài)時序分析（timequest），嵌入式邏輯分析儀（signaltap）就算是通關了。如果有不懂的地方可以暫時跳過，因為這部分還需要足量的實踐，才能有較深刻的理解。

四、學會提高開發(fā)效率。

因為Quartus和ISE的編輯器功能太弱，影響了開發(fā)效率。所以建議使用Sublime text編輯器中代碼片段的功能，以減少重復性勞動。Modelsim也是常用的仿真工具，學會TCL/TK以編寫適合自己的DO文件，使得仿真變得自動化，推薦的教材是《TCL/TK入門經(jīng)典》。你可能會手動備份代碼，但是專業(yè)人士都是用版本控制器Git的，可以提高工作效率。文件比較器Beyond Compare也是個比較常用的工具，Git也有比較功能。此外，你也可以使用System Verilog來替代testbench，這樣效率會更高一些。如果你是做IC驗證的，就必須掌握System Verilog和驗證方法學（UVM）。推薦的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012語法手冊》。

掌握了TCL/TK之后，可以學習虛擬Jtag（ISE也有類似的工具）制作屬于自己的調(diào)試工具，此外，有時間的話，最好再學個python。腳本，意味著一勞永逸。

五、增強理論基礎。

這個時候，你已經(jīng)會使用FPGA了，但是還有很多事情做不了（比如，F(xiàn)IR濾波器、PID算法、OFDM等），因為理論沒學好。我大概地分幾個方向供大家參考，后面跟的是要掌握的理論課。

1、信號處理——信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、多采樣率信號處理、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代數(shù)字信號處理、盲信號處理、自適應濾波器原理、雷達信號處理。

2、接口應用——如：UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太網(wǎng)接口)、SATA、光纖、DisplayPort、HDMI。

3、無線通信——信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理、移動通信基礎、隨機過程、信息論與編碼。

4、CPU設計——計算機組成原理、單片機、計算機體系結(jié)構、編譯原理、RISC-V。

5、儀器儀表——模擬電子技術、高頻電子線路、電子測量技術、智能儀器原理及應用。

6、控制系統(tǒng)——自動控制原理、現(xiàn)代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應用。

7、壓縮、編碼、加密——數(shù)論、抽象代數(shù)、現(xiàn)代編碼技術、信息論與編碼、數(shù)據(jù)壓縮導論、應用密碼學、音頻信息處理技術、數(shù)字視頻編碼技術原理、H.265

現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)，原來FPGA會涉及到那么多知識，你可以選一個感興趣的方向，但是工作中很有可能用到其中幾個方向的知識，所以理論還是學得越多越好。如果你要更上一層，數(shù)學和英語是不可避免的。

六、學會使用MATLAB仿真。

設計FPGA算法的時候，多多少少都會用到MATLAB，比如CRC的系數(shù)矩陣、FFT、數(shù)字濾波器系數(shù)、各種表格和文本處理等。此外，MATLAB還能用于調(diào)試HDL（用MATLAB的計算結(jié)果跟用HDL算出來的一步步對照，可以知道哪里出問題）。推薦的教材是《MATLAB寶典》和杜勇的《數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實現(xiàn)》。

七、足量的實踐。

這個時候你至少讀過幾遍芯片手冊（官網(wǎng)有），然后可以針對自己的方向，做一定量的實踐了（期間要保持良好的代碼風格，增加元件例化語句的可讀性，繪制流程圖/時序圖，撰寫文檔的習慣）。比如：通信類的可以做調(diào)制解調(diào)算法，儀表類的可以做總線分析儀等等。不過這些算法，在書上只是給了個公式、框圖而已，跟實際的差距很大，你甚至會覺得書上的東西都很膚淺。那么，你可以在知網(wǎng)、百度文庫、EETOP論壇、opencores、ChinaAET、SCI-HUB、Q群共享、博客上面找些相關資料（校外的朋友可以在淘寶買個知網(wǎng)賬號）。其實，當你到了這個階段，你已經(jīng)達到了職業(yè)級水平，有空就多了解一些前沿技術，這將有助于你的職業(yè)規(guī)劃。

在工作當中，或許你需要關注很多協(xié)議和行業(yè)標準，協(xié)議可以在EETOP上面找到，而標準（如：國家標準GB和GB/T，國際標準ISO）就推薦《標準網(wǎng)》和《標準分享網(wǎng)》。

八、圖像處理。（這部分只寫給想學圖像處理的朋友，也是由淺入深的路線）

1、Photoshop?；ㄒ?、兩周的時間學習PS，對圖像處理有個大概的了解，知道各種圖片格式、直方圖、色相、通道、濾鏡、拼接等基本概念，并能使用它。這部分是0基礎，目的讓大家對圖像處理有個感性的認識，而不是一上來就各種各樣的公式推導。推薦《Photoshop CS6完全自學教程》。

2、基于MATLAB或OpenCV的圖像處理。有C/C++基礎的可以學習OpenCV，否則的話，建議學MATLAB。這個階段下，只要學會簡單的調(diào)用函數(shù)即可，暫時不用深究實現(xiàn)的細節(jié)。推薦《數(shù)字圖像處理matlab版》、《學習OpenCV》。

3、圖像處理的基礎理論。這部分的理論是需要高數(shù)、復變、線性代數(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基礎，基礎不好的話，建議先補補基礎再來?？床欢睦碚撘部梢詴簳r先放下，或許學到后面就自然而然地開竅了。推薦《數(shù)字圖像處理》。

4、基于FPGA的圖像處理。把前面學到的理論運用到FPGA上面，如果這時你有前面第七個階段的水平，你將輕松地獨立完成圖像算法設計（圖像處理是離不開接口的，上面第五個階段有講）。如果你沒有開發(fā)板，請參考《Verilog讀取bmp圖片》。推薦《基于FPGA的嵌入式圖像處理系統(tǒng)設計》、《基于FPGA的數(shù)字圖像處理原理及應用》。

5、進一步鉆研數(shù)學。要在算法上更上一層，必然需要更多的數(shù)學，所以這里建議學習實分析、泛涵分析、小波分析等。

下面這兩個階段是給感興趣的朋友介紹的。

九、數(shù)電的盡頭是模電。

現(xiàn)在FPGA內(nèi)部的事情是難不到你的，但是信號出了FPGA，你就沒法控制了。這個時候必須學好模電。比如：電路分析、模擬電子技術、高頻電子線路、PCB設計、EMC、SI、PI等等，能設計出一塊帶兩片DDR3的FPGA開發(fā)板，就算通關了。

十、學無止境。

能到這個境界，說明你已經(jīng)很厲害了，但是還有很多東西要學的，因為FPGA常常要跟CPU交互，也就是說你得經(jīng)常跟軟件工程師交流，所以也得懂點軟件方面的知識。比如ARM（Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC會用到ARM的硬核，請參考本博客的《如何學習嵌入式軟件》）、DSP、Linux、安卓、上位機（QT、C#、JAVA）都可以學一下，反正學無止境的。

十一、其它問題。

a、為什么不推薦學習NIOS II和MicroBlaze等軟核？

1、性價比不高，一般的軟核性能大概跟Cortex M3或M4差不多，用FPGA那么貴的東西去做一個性能一般的CPU，在工程上是非常不劃算的。不如另外加一塊M3。

2、加上軟核，可能會影響到其它的邏輯的功能。這是在資源并不十分充足的情況下，再加上軟核，導致布局布線變得相當困難。

3、軟核不開源，出現(xiàn)Bug的時候，不容易調(diào)試。

4、工程上很少使用，極有可能派不上用場。

b、為什么不推薦0基礎學習ZYNQ或SOC？

1、容易讓人有傍同心理。傍同心理是指一個人通過渲染與自己有親近關系的人的杰出，來掩蓋和彌補自己在這方面的不足，從而獲得心理上的平衡。自己在學習很厲害的東西，然后也感覺自己很厲害，但這只是錯覺而已。

2、入門應該學習盡量簡單的東西，要么專心學習ARM，要么專心學習FPGA。這樣更容易有成就感，增強信心。

3、ZYNQ和SOC的應用領域并不廣，還有很多人沒聽過這種東西，導致求職的不利。

4、開發(fā)工具編譯時間長，浪費較多時間。

5、絕大多數(shù)工作，都只是負責一方面，也就是說另一方面，很有可能派不上用場。

c、為什么已經(jīng)存在那么多IP核，仍然需要寫HDL？

1、問這種問題的，一般是學生，他們沒有做過產(chǎn)品，沒有遇到過工程上的問題。

2、IP核并非萬能，不能滿足所有需求。

3、盡量少用閉源IP核，一旦出問題，這種黑匣子很可能讓產(chǎn)品難產(chǎn)。

4、深入理解底一層次，可以更好地使用高一層次。該法則可以適用于所有編程語言。