長期以來很多新入群的菜鳥們總 是在重復(fù)的問一些非常簡單但是又讓新手困惑不解的問題。作為管理員經(jīng)常要給這些菜鳥們普及基礎(chǔ)知識，但是非常不幸的是很多菜鳥懷著一種浮躁的心態(tài)來學(xué)習(xí) FPGA，總是急于求成。

　　再加上國內(nèi)大量有關(guān)FPGA的垃圾教材的誤導(dǎo)，所以很多菜鳥始終無法入門。為什么大量的人會覺得FPGA難學(xué)?作為著名FPGA 提供商Altera授權(quán)的金牌培訓(xùn)師，本管理員決心開貼來詳細(xì)講一下菜鳥覺得FPGA難學(xué)的幾大原因。

　　1、不熟悉 FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不了解可編程邏輯器件的基本原理。

　　FPGA為什么是可以編程的?恐怕很多菜鳥不知道，他們也不想知道。因?yàn)樗麄冇X得這是無關(guān)緊要的。 他們潛意識的認(rèn)為可編程嘛，肯定就是像寫軟件一樣啦。軟件編程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C語言或者其它軟件編程語言一樣。 一條條的讀，一條條的分析。如果這些菜鳥們始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，要想學(xué)會FPGA 恐怕是天方夜譚。雖然現(xiàn)在EDA軟件已經(jīng)非常先進(jìn)，像寫軟件那樣照貓畫虎也能綜合出點(diǎn)東西，但也許只有天知道EDA軟件最后綜合出來的到底是什么。也許點(diǎn) 個燈，跑個馬還行。

　　這樣就是為什么很多菜鳥學(xué)了N久以后依然是一個菜鳥的原因。那么FPGA為什么是可以“編程”的呢?首先來了解一下什么叫“程”。啟示 “程”只不過是一堆具有一定含義的01編碼而已。編程，其實(shí)就是編寫這些01編碼。只不過我們現(xiàn)在有了很多開發(fā)工具，通常都不是直接編寫這些01編碼，而 是以高級語言的形式來編寫，最后由開發(fā)工具轉(zhuǎn)換為這種01編碼而已。對于軟件編程而言，處理器會有一個專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信 號，然后控制其內(nèi)部的電路完成一個個的運(yùn)算或者是其它操作。

　　所以軟件是一條一條的讀，因?yàn)檐浖牟僮魇且徊揭徊酵瓿傻?。而FPGA的可編程，本質(zhì)也是依靠 這些01編碼實(shí)現(xiàn)其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來再去控制一個運(yùn)算電路，F(xiàn)PGA里面 沒有這些東西。FPGA內(nèi)部主要三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊?？删幊痰倪壿媶卧鞘裁?其基本結(jié)構(gòu)某種存儲器(SRAM、 FLASH等)制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”加上一個D觸發(fā)器構(gòu)成。任何一個4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對應(yīng)的“真值表”，同樣的如果 用這么一個存儲器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內(nèi)部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。

　　這些“真值表”內(nèi)部值是什么? 就是那些01編碼而已。如果要實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯電路怎么辦?這不又D觸發(fā)器嘛，任何的時(shí)序邏輯都可以轉(zhuǎn)換為組合邏輯+D觸發(fā)器來完成。但這畢竟只實(shí)現(xiàn)了4輸入 1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規(guī)模那是相當(dāng)?shù)拇笈?。那怎么辦呢?這個時(shí)候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲器控制的鏈接點(diǎn)，通過 改寫對應(yīng)存儲器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開的。這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實(shí) 是FPGA作為芯片級使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個非專用引腳(FPGA中有專門的非用戶可 使用的測試、下載用引腳)為輸入還是輸出，還可以對IO的電平標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置?？倸w一句話，F(xiàn)PGA之所以可編程是因?yàn)榭梢酝ㄟ^特殊的01代碼制作成一張張 “真值表”，并將這些“真值表”組合起來以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的邏輯功能。

　　不了解FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無法深入的 了解如何能夠充分運(yùn)用FPGA?，F(xiàn)在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯電路設(shè)計(jì)，是 從菜鳥邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內(nèi)部邏輯及其工作原理做起。

　　2、錯誤理解 HDL語言，怎么看都看不出硬件結(jié)構(gòu)。

　　HDL語言的英語全稱是：Hardware Description Language，注意這個單詞Description，而不是Design。老外為什么要用Description這個詞而不是Design呢?因?yàn)?HDL確實(shí)不是用用來設(shè)計(jì)硬件的，而僅僅是用來描述硬件的。描述這個詞精確地反映了HDL語言的本質(zhì)，HDL語言不過是已知硬件電路的文本表現(xiàn)形式而已， 只是將以后的電路用文本的形式描述出來而已。而在編寫語言之前，硬件電路應(yīng)該已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來了。語言只不過是將這種設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式而已。

　　但是很多 人就不理解了，既然硬件都已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來了，直接拿去制作部就完了，為什么還要轉(zhuǎn)化為文字表達(dá)形式再通過EDA工具這些麻煩的流程呢?其實(shí)這就是很多菜鳥 沒有了解設(shè)計(jì)的抽象層次的問題，任何設(shè)計(jì)包括什么服裝、機(jī)械、廣告設(shè)計(jì)都有一個抽象層次的問題。就拿廣告設(shè)計(jì)來說吧，最初的設(shè)計(jì)也許就是一個概念，設(shè)計(jì)出 這個概念也是就是一個點(diǎn)子而已，離最終拍成廣告還差得很遠(yuǎn)。硬件設(shè)計(jì)也是有不同的抽象層次，每一個層次都需要設(shè)計(jì)。

　　最高的抽象層次為算法級、然后依次是體 系結(jié)構(gòu)級、寄存器傳輸級、門級、物理版圖級。使用HDL的好處在于我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一個寄存器傳輸級的電路，那么用HDL描述以后轉(zhuǎn)化為文本的形式，剩下 的向更低層次的轉(zhuǎn)換就可以讓EDA工具去做了，這就大大的降低了工作量。這就是可綜合的概念，也就是說在對這一抽象層次上硬件單元進(jìn)行描述可以被EDA工 具理解并轉(zhuǎn)化為底層的門級電路或其他結(jié)構(gòu)的電路。

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，就是在將這以抽象層級的意見描述成HDL語言，就可以通過FPGA開發(fā)軟件轉(zhuǎn)化為問題 1中所述的FPGA內(nèi)部邏輯功能實(shí)現(xiàn)形式。

　　HDL也可以描述更高的抽象層級如算法級或者是體系結(jié)構(gòu)級，但目前受限于EDA軟件的發(fā)展，EDA軟件還無法理 解這么高的抽象層次，所以 HDL描述這樣抽象層級是無法被轉(zhuǎn)化為較低的抽象層級的，這也就是所謂的不可綜合。所以在閱讀或編寫HDL語言，尤其是可綜合的HDL，不應(yīng)該看到的是語 言本身，而是要看到語言背后所對應(yīng)的硬件電路結(jié)構(gòu)。

　　如果看到的HDL始終是一條條的代碼，那么這種人永遠(yuǎn)擺脫不了菜鳥的宿命。假如哪一天看到的代碼不再是 一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊，那么恭喜脫離了菜鳥的級別，進(jìn)入不那么菜的鳥級別。

　　3、FPGA本身不算什么， 一切皆在FPGA之外這一點(diǎn)恐怕也是很多學(xué)FPGA的菜鳥最難理解的地方。

　　FPGA是給誰用的?很多學(xué)校解釋為給學(xué)微電子專業(yè)或者集成電路設(shè)計(jì)專業(yè)的學(xué)生 用的，其實(shí)這不過是很多學(xué)校受資金限制，賣不起專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)工具而用FPGA工具替代而已。其實(shí)FPGA是給設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程 師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個電子設(shè)備，如基站、機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控設(shè)備等。當(dāng)現(xiàn)有芯片無法滿足系統(tǒng)的需求時(shí)，就需要用FPGA來快速的定義一 個能用的芯片。

　　前面說了，F(xiàn)PGA里面無法就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)無非就是考慮如 何將這些以后資源組合起來實(shí)現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設(shè)計(jì)工程師那樣一直要關(guān)注到最后芯片是不是能夠被制造出來。本質(zhì)上和利用現(xiàn)有芯片組合成不 同的電子系統(tǒng)沒有區(qū)別，只是需要關(guān)注更底層的資源而已。要想把FPGA用起來還是簡單的，因?yàn)闊o非就是那些資源，在理解了前面兩點(diǎn)再搞個實(shí)驗(yàn)板，跑跑實(shí) 驗(yàn)，做點(diǎn)簡單的東西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂點(diǎn)FPGA知識就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。因?yàn)樽罱K要讓FPGA里面的資源如何組合，實(shí)現(xiàn)何種功能才能滿 足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識。

　　目前FPGA的應(yīng)用主要是三個方向：第一個方向，也是傳統(tǒng)方向主要用于通信設(shè)備的高速接口電路設(shè)計(jì)，這一方 向主要是用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換。這類應(yīng)用通常要求采用具備高速收發(fā)接口的 FPGA，同時(shí)要求設(shè)計(jì)者懂得高速接口電路設(shè)計(jì)和高速數(shù)字電路板級設(shè)計(jì)，具備EMC/EMI設(shè)計(jì)知識，以及較好的模擬電路基礎(chǔ)，需要解決在高速收發(fā)過程中 產(chǎn)生的信號完整性問題。FPGA最初以及到目前最廣的應(yīng)用就是在通信領(lǐng)域，一方面通信領(lǐng)域需要高速的通信協(xié)議處理方式，另一方面通信協(xié)議隨時(shí)在修改，非常 不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為首選。到目前為止FPGA的一半以上的應(yīng)用也是在通信行業(yè)。

　　第二個方向，可以稱為數(shù)字信號處 理方向或者數(shù)學(xué)計(jì)算方向，因?yàn)楹艽蟪潭壬线@一方向已經(jīng)大大超出了信號處理的范疇。例如早就在2006年就聽說老美將FPGA用于金融數(shù)據(jù)分析，后來又見到 有將FPGA用于醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)分析的案例。在這一方向要求FPGA設(shè)計(jì)者有一定的數(shù)學(xué)功底，能夠理解并改進(jìn)較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，并利用FPGA內(nèi)部的各種資源 使之能夠變?yōu)閷?shí)際的運(yùn)算電路。

　　目前真正投入實(shí)用的還是在通信領(lǐng)域的無線信號處理、信道編解碼以及圖像信號處理等領(lǐng)域，其它領(lǐng)域的研究正在開展中，之所以沒 有大量實(shí)用的主要原因還是因?yàn)閷W(xué)金融的、學(xué)醫(yī)學(xué)的不了解這玩意。不過最近發(fā)現(xiàn)歐美有很多電子工程、計(jì)算機(jī)類的博士轉(zhuǎn)入到金融行業(yè)，開展金融信號處理，相信 隨著轉(zhuǎn)入的人增加，F(xiàn)PGA在其它領(lǐng)域的數(shù)學(xué)計(jì)算功能會更好的發(fā)揮出來，而我也有意做一些這些方面的研究。不過國內(nèi)學(xué)金融的、學(xué)醫(yī)的恐怕連數(shù)學(xué)都很少用 到，就不用說用FPGA來幫助他們完成數(shù)學(xué)_運(yùn)算了，這個問題只有再議了。

　　第三個方向就是所謂的SOPC方向，其實(shí)嚴(yán)格意義上來說這個已經(jīng)在FPGA設(shè)計(jì) 的范疇之內(nèi)，只不過是利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設(shè)計(jì)者主要是在上面進(jìn)行嵌入式軟件開發(fā)而已。設(shè)計(jì)對于FPGA本身的 設(shè)計(jì)時(shí)相當(dāng)少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實(shí)際上需要用到第二個方向的知識，而如果需要設(shè)計(jì)專用的接口電路則需要用到第一個方向的知 識。

　　就目前SOPC方向發(fā)展其實(shí)遠(yuǎn)不如第一和第二個方向，其主要原因是因?yàn)镾OPC以FPGA為主，或者是在FPGA內(nèi)部的資源實(shí)現(xiàn)一個“軟”的處理器， 或者是在FPGA內(nèi)部嵌入一個處理器核。但大多數(shù)的嵌入式設(shè)計(jì)卻是以軟件為核心，以現(xiàn)有的硬件發(fā)展情況來看，多數(shù)情況下的接口都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并不需要那么 大的FPGA邏輯資源去設(shè)計(jì)太過復(fù)雜的接口。而且就目前看來SOPC相關(guān)的開發(fā)工具還非常的不完善，以ARM為代表的各類嵌入式處理器開發(fā)工具卻早已深入 人心，大多數(shù)以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的接口，大量成系列的單片機(jī)/嵌入式處理器提供了相關(guān)行業(yè)所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬 件場合確實(shí)很少。

　　通常是在一些特種行業(yè)才會在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情況不會有太大 改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機(jī)還在嵌入式領(lǐng)域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來體現(xiàn)價(jià)值的。我曾經(jīng)看好的是 cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史載SOC芯片里面去嵌入那么一小塊FPGA，那這樣其實(shí)可以滿足嵌入式的那些微 小的硬件接口差異，比如某個運(yùn)用需要4個USB，而通常的處理器不會提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來提供多的USB接口。而另一種運(yùn)用需要6個 UART，也可以用同樣的方法完成。

　　對于嵌入式設(shè)計(jì)公司來說他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設(shè)計(jì)中各種微小的差異變化。其主要的差異化仍然是通過 軟件來完成。但目前cypress過于封閉，如果其采用ARM作為處理器內(nèi)核，借助其完整的工具鏈。同時(shí)開放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設(shè)計(jì)， 其實(shí)是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過，Psoc的思想也不知道何時(shí)能夠發(fā)光。

　　4、 數(shù)字邏輯知識是根本。無論是FPGA的哪個方向，都離不開數(shù)字邏輯知識的支撐。

　　FPGA說白了是一種實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的方式而已。如果連最基本的數(shù)字邏輯的知 識都有問題，學(xué)習(xí)FPGA的愿望只是空中樓閣而已。而這，恰恰是很多菜鳥最不愿意去面對的問題。數(shù)字邏輯是任何電子電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，也是必須要 學(xué)好的一門課。很多人無非是學(xué)習(xí)了，考個試，完了。

　　如果不能將數(shù)字邏輯知識爛熟于心，養(yǎng)成良好的設(shè)計(jì)習(xí)慣，學(xué)FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終 是一場空的。

　　以上四條只是我目前總結(jié)菜鳥們在學(xué)習(xí)FPGA時(shí)所最容易跑偏的地方，F(xiàn)PGA的學(xué)習(xí)其實(shí)就像學(xué)習(xí)圍棋一樣，學(xué)會如何在棋盤上落子很容易，成為 一位高手卻是難上加難。

　　寥寥數(shù)語 希望對家有所幫助。