【導(dǎo)讀】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。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，希望能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)FPGA的人帶來幫助。
（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-Program mable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（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電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。所以，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） FPGA的工作原理
FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，但是功耗較低。但是 他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA.因?yàn)檫@些芯片有比 較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于ASIC的芯片上。
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和 門陣列（如PAL,GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一 個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O,由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用 金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。
三） FPGA設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)問題
FPGA的基礎(chǔ)就是數(shù)字電路和VHDL語 言，想學(xué)好FPGA的人，建議床頭都有一本數(shù)字電路的書，不管是哪個(gè)版本的，這個(gè)是基礎(chǔ)，多了解也有助于形成硬件設(shè)計(jì)的思想。在語言方面，建議初學(xué)者學(xué)習(xí) Verilog語言，VHDL語言語法規(guī)范嚴(yán)格，調(diào)試起來很慢，Verilog語言容易上手，而且，一般大型企業(yè)都是用Verilog語言，VHDL語言 規(guī)范，易讀性強(qiáng)，所以一般軍工都用VHDL.
1、工具問題
熟悉幾個(gè)常用的就可以的，開發(fā)環(huán)境QuartusII ,或ISE 就可以了，這兩個(gè)基本是相通的，會(huì)了哪一個(gè)，另外的那個(gè)也就很Easy了。功能仿真建議使用Modelsim ,如果你是做芯片的，就可以學(xué)學(xué)別的仿真工具，做FPGA的，Modelsim就足夠了。綜合工具一般用Synplify,初學(xué)先不用太關(guān)心這個(gè)，用 Quartus綜合就OK了。
2、思想問題
對(duì)于初學(xué)者，特別是從軟件轉(zhuǎn)過來的，設(shè)計(jì)的程序既費(fèi)資源又速度慢，而且很有可能綜合不了，這就要求我們熟悉一些固定模塊的寫法，可綜合的模塊很多書上都有，語言介紹上都有，不要想當(dāng)然的用軟件的思想去寫硬件。
3、習(xí)慣問題
FPGA學(xué)習(xí)要多練習(xí)，多仿真，signaltapII是很好的工具，可以看到每個(gè)信號(hào)的真實(shí)值， 建議初學(xué)者一定要自己多動(dòng)手，光看書是沒用的。關(guān)于英文文檔問題，如果要學(xué)會(huì)Quartus II的所有功能，只要看它的handbook就可以了，很詳細(xì)，對(duì)于IT行業(yè)的人，大部分知識(shí)來源都是英文文檔，一定要耐心看，會(huì)從中收獲很多的。
4、算法問題
做FPGA的工程師，最后一般都是專攻算法了，這些基礎(chǔ)知識(shí)都是順手捏來的，如果你沒有做好搞理論 的準(zhǔn)備，學(xué)FPGA始終只能停留在初級(jí)階段上。對(duì)于初學(xué)者，數(shù)字信號(hào)處理是基礎(chǔ)，應(yīng)該好好理解，往更深的方向，不用什么都學(xué)，根據(jù)你以后從事的方向，比如 說通信、圖像處理，雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航定位等。
（四） FPGA的配置模式
FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA;串行模式可以采用串行PROM編程FPGA;外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。
如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理并降低FPGA與PCB并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要考慮的關(guān)鍵問題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工 程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時(shí)，不得不面對(duì)由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
（五） FPGA設(shè)計(jì)的三大法則
第一 面積與速度的互換
這里的面積指的是FPGA的芯片資源，包括邏輯資源和I/O資源等；這里的速度指的是FPGA工作 的最高頻率（和DSP或者ARM不同，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)的工 作頻率是不固定的，而是和設(shè)計(jì)本身的延遲緊密相連）。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使用最小的面積設(shè)計(jì)出最高的速度是每一個(gè)開發(fā)者追求的目標(biāo)，但是“魚和熊掌不可兼得”,取舍之間展示了一個(gè)開發(fā)者的智慧。
1.速度換面積
速度優(yōu)勢可以換取面積的節(jié)約。面積越小，就意味著可以用更低的成本來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功 能。速度換面積的原則在一些較復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)中常常會(huì)用到。在這些算法設(shè)計(jì)中，流水線設(shè)計(jì)常常是必須用到的技術(shù)。在流水線的設(shè)計(jì)中，這些被重復(fù)使用但是使 用次數(shù)不同的模塊將會(huì)占用大量的FPGA資源。對(duì)FPGA的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行改造，將被重復(fù)使用的算法模塊提煉出最小的復(fù)用單元，并利用這個(gè)最小的高速代替原 設(shè)計(jì)中被重復(fù)使用但次數(shù)不同的模塊。當(dāng)然，在改造的過程中必然會(huì)增加一些其他的資源來實(shí)現(xiàn)這個(gè)代替的過程。但是只要速度具有優(yōu)勢，那么增加的這部分邏輯依 然能夠?qū)崿F(xiàn)降低面積提高速度的目的。
可以看到，速度換面積的關(guān)鍵是高速基本單元的復(fù)用。
2.面積換速度
在這種方法中面積的復(fù)制可以換取速度的提高。支持的速度越高，就意味著可以實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)品性能。一些注重產(chǎn)品性能的應(yīng)用領(lǐng)域可以采用并行處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)面積換速度。
第二 硬件可實(shí)現(xiàn)原則
FPGA設(shè)計(jì)通常會(huì)使用HDL語言，比如Verilog HDL或者VHDL.當(dāng)采用HDL語言來描述一個(gè)硬件電路功能的時(shí)候，一定要確保代碼描述的電路是硬件可實(shí)現(xiàn)的。
Verilog HDL語言的語法與C語言很相似，但是它們之間有著本質(zhì)的區(qū)別。C語言是基于過程的高級(jí)語言，編譯后可以在CPU上運(yùn)行。而Verilog HDL語言描述的本身就是硬件結(jié)構(gòu)，編譯后是硬件電路。因此，有些語句在C語言的環(huán)境中應(yīng)用是沒有問題的，但是在HDL語言環(huán)境下就會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不正確或者 不理想。如：
for（i=0;i<16;i++）
DoSomething（）；
在C語言中運(yùn)行沒有任何問題，但是在Verilog HDL的環(huán)境下編譯就會(huì)導(dǎo)致綜合后的資源嚴(yán)重浪費(fèi)。
第三 同步設(shè)計(jì)原則
同步電路和異步電路是FPGA設(shè)計(jì)的兩種基本電路結(jié)構(gòu)形式。
異步電路的最大缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生毛刺。同步設(shè)計(jì)的核心電路是由各種觸發(fā)器構(gòu)成的。這類電路的任何輸出都是在某個(gè)時(shí)鐘的邊沿驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器產(chǎn)生的。所以，同步設(shè)計(jì)可以很好地避免毛刺的產(chǎn)生。
（六） FPGA設(shè)計(jì)的主要應(yīng)用
1、電路設(shè)計(jì)
連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石。事實(shí)上在電路設(shè)計(jì) 中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(shí)（電路知識(shí)）和軟件應(yīng)用能力（開發(fā)工具）這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術(shù)， 新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來，通用和專用IP的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)熱門行業(yè)！搞電路設(shè)計(jì)的前提是必須要具備一 定的硬件知識(shí)。在這個(gè)層面，干重于學(xué)，當(dāng)然，快速入門是很重要的，越好的位子越不等人電路開發(fā)是黃金飯碗。
2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)
把相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊，視頻，信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶 接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題，另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設(shè)計(jì)還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點(diǎn)在性能， 后者對(duì)價(jià)格敏感產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的，F(xiàn)PGA技術(shù)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)手段在這個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因?yàn)榫邆浣涌?，控制，功能IP,內(nèi)嵌CPU等特點(diǎn)有條 件實(shí)現(xiàn)一個(gè)構(gòu)造簡單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場，具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)人員的要求比較 高，路途也比較漫長不過現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)正處在組建“首發(fā)團(tuán)隊(duì)”的狀態(tài)，只要加入，前途光明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種職業(yè)發(fā)展方向定位，不是簡單的愛好就能做到的！產(chǎn)品 設(shè)計(jì)領(lǐng)域會(huì)造就大量的企業(yè)和企業(yè)家，是一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)和機(jī)遇。
3、系統(tǒng)級(jí)
系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本環(huán)境，在這個(gè)平臺(tái)上跑LINUX等系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口（如圖象接口）了這對(duì)于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。這種“山寨”味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢不一定很明顯，類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢，逐漸實(shí)現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。若在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中，開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開發(fā)能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是另一種情況，搞系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用看似起點(diǎn)高，但不具備深層開發(fā)能力，很可能會(huì)變成愛好者，就如很多人會(huì)做網(wǎng)頁但不能稱做會(huì)編程。類似以上是幾點(diǎn)個(gè)人觀點(diǎn)，希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個(gè)不錯(cuò)的行業(yè)，有很好的個(gè)人成功機(jī)會(huì)。但也肯定是一個(gè)競爭很激烈的行業(yè)，關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場適應(yīng)能力。
以上，我們了解到了FPGA基礎(chǔ)知識(shí)，雖然FPGA入門簡單精通難，但是若要想入門，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。上面提到的六方面是FPGA入門的基礎(chǔ)知識(shí)，希望能夠?yàn)閷W(xué)習(xí)FPGA的人帶來幫助。
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