四個(gè)步驟玩轉(zhuǎn)FPGA

四個(gè)步驟玩轉(zhuǎn)FPGAFPGA作為一種高新技術(shù)，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，可以重復(fù)編程，開(kāi)發(fā)周期較短，越來(lái)越受到電子愛(ài)好者的青睞，其應(yīng)用已經(jīng)逐漸普及到了各行各業(yè)。因此，越來(lái)越多的學(xué)生或工程師都希望跨進(jìn)FPGA的大門(mén)掌握這門(mén)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)上各種開(kāi)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？如何學(xué)習(xí)FPGA呢？下面我們慢慢道來(lái)。（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-ProgrammableGateArray），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。看到編程兩個(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(kāi)來(lái)。軟件的編程，處理器會(huì)逐條的把語(yǔ)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(wú)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(guò)和D觸發(fā)器組合來(lái)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(mén)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(yǔ)言HDL（HardwareDescripTIonLanguage），硬件描述語(yǔ)言。通過(guò)名稱我們能看出來(lái)，HDL語(yǔ)言是一種“描述”語(yǔ)言，這一點(diǎn)和C語(yǔ)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(yǔ)言很有幫助。HDL語(yǔ)言只是用文本的方式把硬件電路描述出來(lái)。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(shuō)，我們?cè)诰帉?xiě)HDL語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)言更好學(xué)這些問(wèn)題。如果把學(xué)習(xí)FPGA的重點(diǎn)放在學(xué)習(xí)語(yǔ)言上，死記硬背一些語(yǔ)法，那自然是抓錯(cuò)了重點(diǎn)。語(yǔ)言在日常使用中會(huì)越用越熟練，不需要花很長(zhǎng)的專門(mén)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(shuō)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(shuō)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(mén)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(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)出來(lái)，這時(shí)候就算從菜鳥(niǎo)級(jí)別步入老鳥(niǎo)級(jí)別了。（四）硬件設(shè)計(jì)思想這一點(diǎn)應(yīng)該說(shuō)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(yǔ)言寫(xiě)的好壞的標(biāo)準(zhǔn)和其他軟件編程語(yǔ)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(wèn)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(guò)的坎。FPGA學(xué)了很久還在糾結(jié)到底是用if_else語(yǔ)句好呢還是用case語(yǔ)句好？而不能透過(guò)這些語(yǔ)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。如何學(xué)習(xí)FPGA？筆者經(jīng)常在FPGA相關(guān)技術(shù)論壇及FPGA技術(shù)交流QQ群解答初學(xué)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)很多初學(xué)者都是懷著浮躁的心態(tài)來(lái)學(xué)習(xí)FPGA，總是急于求成。在學(xué)習(xí)FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)的過(guò)程中，雖然剛開(kāi)始學(xué)習(xí)熱情很高，但真正堅(jiān)持下來(lái)一直到“學(xué)會(huì)”的卻寥寥無(wú)幾，除了學(xué)生個(gè)人毅力的因素外，另外一個(gè)重要的原因沒(méi)有好的學(xué)習(xí)教程的指引和缺乏正確的學(xué)習(xí)方法的指導(dǎo)。原本FPGA的學(xué)習(xí)門(mén)檻相對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)就高了不少，再加上缺少手把手系列的教程資料和正確的學(xué)習(xí)方法，這就給初學(xué)者學(xué)習(xí)FPGA增添了更多的困難，很多初學(xué)者因?yàn)檎也坏饺腴T(mén)的方法而漸漸失去了學(xué)習(xí)FPGA的興趣和信心。此系列教程主要分為FPGA開(kāi)發(fā)工具的使用、verilog語(yǔ)言學(xué)習(xí)、FPGA底層硬件解讀、SDRAM讀寫(xiě)控制、數(shù)字信號(hào)處理；FPGA開(kāi)發(fā)工具的使用：實(shí)例講解XILINX開(kāi)發(fā)工具Vivado及GOWIN開(kāi)發(fā)工具講解FPGA開(kāi)發(fā)流程，幫助無(wú)FPGA開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)工程師入門(mén)FPGA開(kāi)發(fā)。因?yàn)橐莆誇PGA這門(mén)技術(shù)，扎實(shí)的理論知識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，購(gòu)買(mǎi)一塊FPGA開(kāi)發(fā)板，多動(dòng)手練習(xí)實(shí)踐更顯得尤為重要。verilog語(yǔ)言學(xué)習(xí)：主要讓初學(xué)者掌握硬件描述語(yǔ)言，結(jié)合具體項(xiàng)目實(shí)例，掌握verilog用于從門(mén)級(jí)到開(kāi)關(guān)級(jí)的多種抽象設(shè)計(jì)層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。通過(guò)本篇教程學(xué)習(xí)主要是讓初學(xué)者掌握verilog語(yǔ)言。FPGA底層硬件解讀：結(jié)合XILINX及GOWIN等器件的對(duì)比分析，讓學(xué)員在了解硬件的底層結(jié)構(gòu)中掌握實(shí)際FPGA的特點(diǎn)、異同。SDRAM讀寫(xiě)控制：原廠實(shí)例講解FPGA，掌握讀寫(xiě)操作與寫(xiě)入命令等。同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)員完成基于高云