「超級(jí)干貨」初學(xué)者如何開始學(xué)習(xí)FPGA？

發(fā)布人：智能物聯(lián)研習(xí)社時(shí)間：2021-04-13 來源：工程師

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作為一名初學(xué)者，如果你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(huì)FPGA恐怕是天方夜譚。

FPGA為什么是可以編程的？

恐怕很多初學(xué)者不知道，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(shí)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(huì)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(gè)燈，跑個(gè)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(gè)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”。

其實(shí)“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)工具運(yùn)算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的，通常都不是直接編寫這些01編碼，而是以高級(jí)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(huì)有一個(gè)專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號(hào)，然后控制其內(nèi)部的電路完成一個(gè)個(gè)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(gè)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。

其次，再來了解下可編程的邏輯單元是什么？

其基本結(jié)構(gòu)某種存儲(chǔ)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(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。任何一個(gè)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(gè)存儲(chǔ)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？

這不有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)拇笈丁?/span>

那怎么辦呢？

這個(gè)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(chǔ)器控制的鏈接點(diǎn)，通過改寫對應(yīng)存儲(chǔ)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(jí)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(gè)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。

總歸一句話，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。

現(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。

另外，F(xiàn)PGA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的初學(xué)者最難理解的地方。

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，買不起專業(yè)的集成電路設(shè)計(jì)工具而用FPGA工具替代而已。

其實(shí)，F(xiàn)PGA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(gè)電子設(shè)備，如****、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(gè)能用的芯片。前面說了，F(xiàn)PGA里面無非就是一些“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(gè)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(shí)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。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(shí)。

最后，推薦一個(gè)我覺得非常不錯(cuò)的開源智能硬件開發(fā)平臺(tái)，還在學(xué)校的時(shí)候就用它開發(fā)過不少能用手機(jī)App/智能音箱控制的作品，平臺(tái)上還有sdk和電路原理圖可以查看，自己DIY智能硬件非常方便，也可以幫助你了解如何畫PCB。作為一名初學(xué)者，如果你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(huì)FPGA恐怕是天方夜譚。