七點(diǎn)入手讓你快速掌握FPGA開(kāi)發(fā)

任何一個(gè)硬件工程師對(duì)FPGA都不會(huì)陌生，就好比C語(yǔ)言對(duì)于軟件工程師來(lái)說(shuō)是必修課程一樣，只要是電子相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，都要學(xué)習(xí)可編程邏輯這門(mén)課程。 FPGA的英文全稱(chēng)是Field Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

從表象看，Programmable這個(gè)單詞確實(shí)能夠很好的描述FPGA的特點(diǎn)，但這也使得很多初學(xué)者走了不少?gòu)澛?。一說(shuō)到編程，大家不免聯(lián)想到 coding，因?yàn)檐浖幊痰乃枷雽?duì)工程師來(lái)說(shuō)已經(jīng)是根深蒂固了。因此，很多初學(xué)者都會(huì)問(wèn)一個(gè)相同的問(wèn)題，兩種硬件編程語(yǔ)言VHDL和Verilog，應(yīng)該學(xué)哪個(gè)？即使明確了要學(xué)習(xí)哪種設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也會(huì)一頭扎進(jìn)浩瀚的語(yǔ)法中，走向歧途。有些初學(xué)者寫(xiě)了大量的代碼，在Demo板上跑了n個(gè)試驗(yàn)，可還是覺(jué)得不懂 FPGA，甚至搞不清楚它和單片機(jī)的區(qū)別。這是為什么？其實(shí)，這都?xì)w結(jié)一個(gè)原因，就是被“可編程”這3個(gè)字給迷惑了，也就是說(shuō)，沒(méi)有弄清楚FPGA的本質(zhì)是什么。因此，對(duì)于FPGA的學(xué)習(xí)也就不著法門(mén)，事倍功半，浪費(fèi)了不少時(shí)間，卻仍然達(dá)不到效果。

FPGA是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。因此，從底層來(lái)看，F(xiàn)PGA還是屬于集成電路的范疇。就當(dāng)前的技術(shù)而言，使用FPGA開(kāi)發(fā)項(xiàng)目還是全部基于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的，所以，F(xiàn)PGA的“可編程”也就是實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字電路邏輯。這與所謂的軟件編程有著本質(zhì)的區(qū)別！歸根結(jié)底，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)就是電路設(shè)計(jì)，因此，對(duì)于每個(gè)FPGA工程師來(lái)說(shuō)，在做設(shè)計(jì)時(shí)必須在腦中有電路的模樣，這很重要！那么，到底該如何有效地學(xué)習(xí)FPGA呢？其實(shí)，很簡(jiǎn)單，只要從以下7點(diǎn)著手，循序漸進(jìn)，日積月累，就完全能夠?qū)PGA設(shè)計(jì)游刃有余。

1. 首先，必須了解FPGA的結(jié)構(gòu)和性能。不同廠家，不同系列的FPGA芯片都有不同的結(jié)構(gòu)和性能，但是萬(wàn)變不離其中。剛開(kāi)始，從掌握幾款典型的高端芯片開(kāi)始，例如Altera公司的Stratix III和Xilinx公司的Virtex 5。之后，再去了解其它系列的芯片就很容易了。至于Lattice和Actel公司的芯片，當(dāng)使用時(shí)再了解也不遲，因?yàn)閷W(xué)習(xí)主流的東西才會(huì)更加有效！許多有關(guān)FPGA的教科書(shū)都會(huì)以幾款常用的芯片為例，講述FPGA的基本結(jié)構(gòu)和原理。初學(xué)者看了后，總覺(jué)得過(guò)于抽象，有點(diǎn)不知所云的感覺(jué)。因此，為了深刻理解 FPGA，必須要有扎實(shí)的數(shù)字電路基礎(chǔ)！在數(shù)字電路里，最基本的就是邏輯和時(shí)序。工程師必須明白FPGA內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)和數(shù)字電路基本電路結(jié)構(gòu)的關(guān)系。例如，任何4個(gè)輸入信號(hào)的組合邏輯都可以通過(guò)FPGA提供的4輸入LUT來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果使用Xilinx的芯片，移位寄存器既可以通過(guò)多個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)LUT來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，初學(xué)者可以設(shè)計(jì)出正確的邏輯，但卻很容易忽略時(shí)序。在I/O口的設(shè)計(jì)中，與時(shí)序相關(guān)的缺陷對(duì)于產(chǎn)品是致命的，會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性。因此，在掌握了結(jié)構(gòu)后，還必須關(guān)注芯片的一些重要時(shí)序參數(shù)，例如I/O口時(shí)鐘的建立時(shí)間、保持時(shí)間和從觸發(fā)器到輸出的延遲時(shí)間，以及芯片內(nèi)部工作時(shí)鐘的最高頻率等等。只有充分掌握了所使用芯片的結(jié)構(gòu)和性能，才能設(shè)計(jì)出一個(gè)合理的系統(tǒng)，才能保證FPGA的設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定。FPGA廠商提供的大量文檔是一個(gè)不錯(cuò)的學(xué)習(xí)資料。

2. FPGA既然是“可編程”，自然離不開(kāi)編程語(yǔ)言。其實(shí)，早期的工程師大多使用原理圖輸入方式進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，這是一種更接近于電路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方式。這種設(shè)計(jì)方式對(duì)設(shè)計(jì)者要求較高，而且也不利于移植和維護(hù)，因此VHDL和Verilog才漸漸流行起來(lái)。這兩種語(yǔ)言，無(wú)所謂孰優(yōu)孰劣，只不過(guò)Verilog發(fā)展的比VHDL好，而且和將來(lái)可能一統(tǒng)天下的SystemVerilog比較接軌。它們都是硬件描述語(yǔ)言。既然叫硬件描述語(yǔ)言，自然是和軟件世界里的編程不一樣，所以，初學(xué)者不能把它當(dāng)作軟件編程語(yǔ)言來(lái)學(xué)習(xí)，否則就會(huì)舍本逐末。如果僅僅只是從事FPGA邏輯設(shè)計(jì)和做簡(jiǎn)單的功能仿真，只需學(xué)習(xí)最簡(jiǎn)單的語(yǔ)法就夠了。那些用于寫(xiě)驗(yàn)證腳本的語(yǔ)法，完全不用學(xué)，基本用不上。語(yǔ)言?xún)H僅只是一個(gè)工具，尤其在硬件設(shè)計(jì)里，代碼寫(xiě)得漂不漂亮，并不重要，最關(guān)鍵的是設(shè)計(jì)思想。記住，F(xiàn)PGA工程師是在設(shè)計(jì)電路，而不是在“編程”！

3. 很多工程師會(huì)談到算法的重要性，認(rèn)為必須懂得很多算法。沒(méi)錯(cuò)，好的算法對(duì)于設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)猶如利器一般?？墒?，研究算法和如何實(shí)現(xiàn)算法是兩個(gè)不同的概念，研究算法是在做數(shù)學(xué)題，實(shí)現(xiàn)算法才是工程師的職責(zé)。這里并不是說(shuō)FPGA工程師不用去研究算法，而是強(qiáng)調(diào)職責(zé)所在。不同的算法，我們對(duì)其原理的研究和理解的要求也是不同的。例如8B/10B編碼，只要你懂得在哪里需要使用它就夠了，現(xiàn)成的IP Core可以直接調(diào)用。但是，諸如FEC編解碼這樣的算法，則只有了解了基本原理后才可能懂得如何實(shí)現(xiàn)。對(duì)于算法，F(xiàn)PGA工程師的重點(diǎn)就是在于“如何實(shí)現(xiàn)”！。另外，算法之外，邏輯設(shè)計(jì)里常用的設(shè)計(jì)方法必須懂得，例如，乒乓操作、流水線設(shè)計(jì)和分時(shí)復(fù)用等等。還有常用的邏輯模塊，如異步FIFO、狀態(tài)機(jī)，這些其實(shí)都是數(shù)字電路里最基礎(chǔ)的東西，但是對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，在做FPGA設(shè)計(jì)時(shí)未必會(huì)正確的使用。

4. FPGA設(shè)計(jì)必須有一個(gè)好的設(shè)計(jì)流程來(lái)支撐。代碼寫(xiě)完后，花大量時(shí)間做完善的功能仿真和驗(yàn)證是很有必要的?？墒且恍┕こ處煵⒉恢匾暦抡婧万?yàn)證，而是迫不及待的上板調(diào)試。碰到BUG后就在代碼上修修補(bǔ)補(bǔ)，運(yùn)氣好的話，BUG表面上是解決了，可真正深層次的原因卻未必發(fā)現(xiàn)，給產(chǎn)品留下了隱患。一個(gè)好的設(shè)計(jì)流程要求大多數(shù)BUG在前期工作中必須解決掉，功能仿真和驗(yàn)證則是一個(gè)很有效也很重要的步驟。除了仿真驗(yàn)證，綜合和布線也必須重視，這要求我們必須仔細(xì)瀏覽編譯報(bào)告和時(shí)序報(bào)告，因?yàn)椋S多時(shí)序問(wèn)題都能通過(guò)報(bào)告反映出來(lái)。有時(shí)候，一些工程師碰到時(shí)序問(wèn)題，僅僅做時(shí)鐘反相來(lái)調(diào)整數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的相位關(guān)系，或者修改綜合和布線的參數(shù)，仍無(wú)法解決問(wèn)題。尤其是在用了高速時(shí)鐘的設(shè)計(jì)里，大多數(shù)情況，我們只有修改代碼里的邏輯才能滿足設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。這些也只有仔細(xì)分析了報(bào)告后，才能對(duì)癥下葯。另外，對(duì)于大多數(shù)同步邏輯設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，時(shí)序仿真是沒(méi)有必要的，這一步完全可以省略。

5. 現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA發(fā)展的三大方向就是SOC，高速I(mǎi)/O和DSP。在有限的時(shí)間里，選擇一個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行主攻是有必要的，只有明確了目標(biāo)，才會(huì)更加投入。 SOC設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者對(duì)軟件編程、CPU原理甚至是操作系統(tǒng)比較了解才行，因?yàn)镾OC就是一個(gè)軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)。高速I(mǎi)/O設(shè)計(jì)則要求設(shè)計(jì)者掌握許多模擬電路的基本知識(shí)以及一些常用的通信協(xié)議，例如，SDH、GbE、PCI-E等等。FPGA在DSP領(lǐng)域的使用是近幾年興起的一個(gè)發(fā)展方向。FPGA由于其內(nèi)在的并行特性，能以很高的效率實(shí)現(xiàn)DSP算法中計(jì)算量較大的模塊，非常適合視頻和圖像處理等對(duì)DSP性能要求越來(lái)越高的新興應(yīng)用，設(shè)計(jì)者需要掌握數(shù)字信號(hào)處理常用算法。這3個(gè)方向完全不同，切勿囫圇吞棗，一切通吃！“術(shù)業(yè)有專(zhuān)功”，資深的高級(jí)工程師也很難在多個(gè)方向都取得成就。當(dāng)然，若能在一個(gè)領(lǐng)域有較深的研究，同時(shí)，對(duì)另外兩個(gè)領(lǐng)域也有一定的了解，那就更好了。

6. 一個(gè)優(yōu)秀的FPGA工程師，必須做到“一專(zhuān)多能”。所謂的“一專(zhuān)”當(dāng)然是指在FPGA設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)深度，而“多能”則是要求工程師對(duì)其它專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域也要有所了解和掌握。例如，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)SOC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言就必須學(xué)習(xí)，否則對(duì)于片上系統(tǒng)的架構(gòu)就可能不合理。另外，對(duì)于設(shè)計(jì)高速I(mǎi)/O口的工程師來(lái)說(shuō)，電路板原理設(shè)計(jì)和PCB設(shè)計(jì)則需要有所了解。只有掌握了預(yù)加重、均衡以及阻抗匹配等這些與模擬電路相關(guān)的概念，才可能在設(shè)計(jì)和調(diào)試中得心應(yīng)手。

7. 最后一點(diǎn)，也是最難的一點(diǎn)，這也是邁向高級(jí)工程師的關(guān)鍵，就是FPGA的設(shè)計(jì)需要一個(gè)好的系統(tǒng)架構(gòu)方案和合理的模塊化分。這有助于FPGA的調(diào)試和維護(hù)，也便于多人共同開(kāi)發(fā)，尤其是在使用大規(guī)模FPGA時(shí)，這也就是常說(shuō)的Top－Down設(shè)計(jì)方式。把一個(gè)龐大的、復(fù)雜的設(shè)計(jì)化分成若干個(gè)小模塊，而且層次要分明，不能扁平化，這需要設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)必須有全面深刻的理解。一個(gè)雜亂無(wú)序的設(shè)計(jì)對(duì)于后期的維護(hù)是災(zāi)難性的，尤其是對(duì)于接手者來(lái)說(shuō)，若要修改某個(gè)邏輯，可以說(shuō)是苦不堪言。從這一點(diǎn)看，初學(xué)者的問(wèn)題都可以在這里找到答案。FPGA學(xué)什么？就是學(xué)習(xí)系統(tǒng)級(jí)的電路設(shè)計(jì)。所以，F(xiàn)PGA工程師的發(fā)展方向就是系統(tǒng)工程師。

以上7點(diǎn)若能有深刻理解，則就能看清FPGA的本質(zhì)了。市場(chǎng)的瞬息變化，要求電子產(chǎn)品必須對(duì)市場(chǎng)具有高敏感性，產(chǎn)品從方案設(shè)計(jì)到市場(chǎng)投放的時(shí)間越來(lái)越短，F(xiàn)PGA在其中功不可沒(méi)。另外，在面對(duì)Cost Down時(shí)，F(xiàn)PGA也起著不可或缺的作用。在當(dāng)今時(shí)代，F(xiàn)PGA已經(jīng)在通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、儀器、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著功耗和成本的進(jìn)一步降低，F(xiàn)PGA還將進(jìn)入更多的應(yīng)用領(lǐng)域，相信FPGA工程師也必將會(huì)有一個(gè)更加廣闊的施展空間。