如何學(xué)習(xí)FPGA？FPGA學(xué)習(xí)必備的基礎(chǔ)知識(shí)

FPGA已成為現(xiàn)今的技術(shù)熱點(diǎn)之一，無論學(xué)生還是工程師都希望跨進(jìn)FPGA的大門。網(wǎng)絡(luò)上各種開發(fā)板、培訓(xùn)班更是多如牛毛，仿佛在告訴你不懂FPGA你就OUT啦。那么我們要玩轉(zhuǎn)FPGA必須具備哪些基礎(chǔ)知識(shí)呢?下面我們慢慢道來。

(一) 要了解什么是FPGA

既然要玩轉(zhuǎn)FPGA，那我們首先最重要的當(dāng)然是要了解什么FPGA。FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列?？吹骄幊虄蓚€(gè)字碼農(nóng)就笑了，不就是編程嘛，那可是我們的強(qiáng)項(xiàng)。且慢，此編程非彼編程。一定要把FPGA的編程和軟件編程區(qū)分開來。軟件的編程，處理器會(huì)逐條的把語言翻譯成各種控制信號(hào)，去控制內(nèi)部電路完成一個(gè)個(gè)運(yùn)算或操作。那么FPGA的編程是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?無論Altera家還是Xlinix家的FPGA，叫法有什么差異，基本單元都相似，都是由真值表和D觸發(fā)器構(gòu)成。改變真值表的值就改變了邏輯功能，再通過和D觸發(fā)器組合來實(shí)現(xiàn)任何時(shí)序邏輯。所以我們對(duì)FPGA的編程，實(shí)際上就是去修改這些真值表和連接關(guān)系，使他們組成一張專門的真值表，去實(shí)現(xiàn)特定的功能。這和軟件編程一步步運(yùn)行程序有本質(zhì)的區(qū)別。要想玩轉(zhuǎn)FPGA，就必須理解FPGA內(nèi)部的工作原理，學(xué)習(xí)如何利用這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)。

(二) 正確理解HDL語言

HDL(Hardware Description Language)，硬件描述語言。通過名稱我們能看出來，HDL語言是一種“描述”語言，這一點(diǎn)和C語言是有本質(zhì)區(qū)別的。正確理解描述的含義，對(duì)學(xué)好HDL語言很有幫助。HDL語言只是用文本的方式把硬件電路描述出來。我們?cè)陂喿xHDL程序的時(shí)候，在腦子里應(yīng)該能反映出一個(gè)完整的硬件電路結(jié)構(gòu)。從另一方面說，我們?cè)诰帉慔DL語言之前，就已經(jīng)對(duì)要實(shí)現(xiàn)的電路有清晰的概念。所以HDL語言只是一個(gè)描述我們頭腦中具體電路的工具，玩轉(zhuǎn)FPGA的根本不是語言而是邏輯電路設(shè)計(jì)。不要再糾結(jié)于我應(yīng)該學(xué)習(xí)VHDL還是Verilog，那種語言更好學(xué)這些問題。如果把學(xué)習(xí)FPGA的重點(diǎn)放在學(xué)習(xí)語言上，死記硬背一些語法，那自然是抓錯(cuò)了重點(diǎn)。語言在日常使用中會(huì)越用越熟練，不需要花很長(zhǎng)的專門時(shí)間去學(xué)習(xí)。當(dāng)然一本好的參考資料可以隨時(shí)方便查詢會(huì)是很有幫助的。

(三) 數(shù)字電路基礎(chǔ)

說到底，F(xiàn)PGA就是一堆數(shù)字邏輯組合在一起實(shí)現(xiàn)特定功能而已。所以數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)是根本。如果你連觸發(fā)器，組合電路，時(shí)序電路，競(jìng)爭(zhēng)，毛刺等等基本概念還莫能兩可不清不楚的話，那玩轉(zhuǎn)FPGA只能是癡人說夢(mèng)的幻想了。我們必須要好好的學(xué)好數(shù)字電路基礎(chǔ)這門課，基本的數(shù)字電路爛熟于心。把這些基礎(chǔ)打牢固，再往更深的方向發(fā)展。什么時(shí)候能夠從抽象的算法中提煉算法的結(jié)構(gòu)，再分解成具體的模塊并通過硬件電路實(shí)現(xiàn)出來，這時(shí)候就算從菜鳥級(jí)別步入老鳥級(jí)別了。

(四) 硬件設(shè)計(jì)思想

這一點(diǎn)應(yīng)該說是重中之重。學(xué)習(xí)FPGA，一定要有硬件設(shè)計(jì)思想。在軟件編程的時(shí)候，比如1秒鐘能實(shí)現(xiàn)5次乘法運(yùn)算，那系統(tǒng)要求1秒鐘實(shí)現(xiàn)50次乘法運(yùn)算怎么辦，我們會(huì)盡可能的優(yōu)化代碼，讓代碼更簡(jiǎn)潔更高效，或者提高系統(tǒng)主頻，讓系統(tǒng)跑的更快。但是在FPGA里面我們不是這種思維方式。在FPGA里實(shí)現(xiàn)一個(gè)乘法器不夠用，那我就實(shí)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)現(xiàn)三個(gè)去滿足系統(tǒng)要求;我可以進(jìn)行流水線設(shè)計(jì);串行運(yùn)行方式不夠快了，我可以先串并轉(zhuǎn)換，再并行的做處理……只要FPGA的資源夠用，我可以充分利用資源去滿足系統(tǒng)要求。因?yàn)樵谖沂掷锏木褪且欢延布Y源，我要做的是把他們組合成一個(gè)好用的電路。評(píng)價(jià)硬件描述語言寫的好壞的標(biāo)準(zhǔn)和其他軟件編程語言的標(biāo)準(zhǔn)是完全不同的。因此一定要摒棄軟件編程的一些固有思路，學(xué)會(huì)用硬件的方式去解決問題。時(shí)刻提醒自己正在設(shè)計(jì)的是一個(gè)電路，而不是一行行空洞的代碼。這是很多做軟件編程的人很難跨過的坎。FPGA學(xué)了很久還在糾結(jié)到底是用if_else語句好呢還是用case語句好?而不能透過這些語句表面看到他們所具體代表的電路。只有建立了硬件設(shè)計(jì)思想，才有更深入學(xué)習(xí)FPGA的可能。

FPGA入門簡(jiǎn)單精通難。要想入門，買一塊開發(fā)板跟著例程走一遍，很多人都能在很短的時(shí)間內(nèi)熟悉開發(fā)軟件的操作方法并且點(diǎn)亮開發(fā)板上的LED或者再實(shí)現(xiàn)個(gè)跑馬燈什么的。但是再往后進(jìn)步往往就進(jìn)展很慢。上面提到的這四條是玩轉(zhuǎn)FPGA的基礎(chǔ)，只有打好了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)后面才能一馬平川。希望每個(gè)學(xué)習(xí)FPGA的人最后都能成為大牛，設(shè)計(jì)出自己的完美電路。

審核編輯 黃宇