学习 FPGA 经验与书籍

1、不熟悉FPGA的内部结构，不了解可编程逻辑器件的基本原理。
FPGA为什么是可以编程的？恐怕很多菜鸟不知道，他们也不想知道。因为他们觉得这是无关紧要的。他们潜意识的认为可编程嘛，肯定就是像写软件一样啦。软件编程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C语言或者其它软件编程语言一样。一条条的读，一条条的分析。如果这些菜鸟们始终拒绝去了解为什么FPGA是可以编程的，不去了解FPGA的内部结构，要想学会FPGA恐怕是天方夜谭。虽然现在EDA软件已经非常先进，像写软件那样照猫画虎也能综合出点东西，但也许只有天知道EDA软件最后综合出来的到底是什么。也许点个灯，跑个马还行。这样就是为什么很多菜鸟学了N久以后依然是一个菜鸟的原因。那么FPGA为什么是可以“编程”的呢？首先来了解一下什么叫“程”。其实“程”只不过是一堆具有一定含义的01编码而已。编程，其实就是编写这些01编码。只不过我们现在有了很多开发工具，通常都不是直接编写这些01编码，而是以高级语言的形式来编写，最后由开发工具转换为这种01编码而已。对于软件编程而言，处理器会有一个专门的译码电路逐条把这些01编码翻译为各种控制信号，然后控制其内部的电路完成一个个的运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的读，因为软件的操作是一步一步完成的。而FPGA的可编程，本质也是依靠这些01编码实现其功能的改变，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像软件那样将01编码翻译出来再去控制一个运算电路，FPGA里面没有这些东西。FPGA内部主要三块：可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。可编程的逻辑单元是什么？其基本结构某种存储器（SRAM、FLASH等）制成的4输入或6输入1输出地“真值表”加上一个D触发器构成。任何一个4输入1输出组合逻辑电路，都有一张对应的“真值表”，同样的如果用这么一个存储器制成的4输入1输出地“真值表”，只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意4输入1输出的组合逻辑。这些“真值表”内部值是什么？就是那些01编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办？这不又D触发器嘛，任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑+D触发器来完成。但这毕竟只实现了4输入1输出的逻辑电路而已，通常逻辑电路的规模那是相当的大哦。那怎么办呢？这个时候就需要用到可编程连线了。在这些连线上有很多用存储器控制的链接点，通过改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。这就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。最后就是可编程的IO，这其实是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚（FPGA中有专门的非用户可使用的测试、下载用引脚）为输入还是输出，还可以对IO的电平标准进行设置。总归一句话，FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的01代码制作成一张张“真值表”，并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。不了解FPGA内部结构，就不能明白最终代码如何变到FPGA里面去的。也就无法深入的了解如何能够充分运用FPGA。现在的FPGA，不单单是有前面讲的那三块，还有很多专用的硬件功能单元，如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计，是从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这一切，还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。

2、错误理解HDL语言，怎么看都看不出硬件结构。
HDL语言的英语全称是：Hardware Description Language，注意这个单词Description，而不是Design。老外为什么要用Description这个词而不是Design呢？因为HDL确实不是用用来设计硬件的，而仅仅是用来描述硬件的。描述这个词精确地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已，只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作部就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢？其实这就是很多菜鸟没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，最初的设计也许就是一个概念，设计出这个概念也是就是一个点子而已，离最终拍成广告还差得很远。硬件设计也是有不同的抽象层次，每一个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。使用HDL的好处在于我们已经设计好了一个寄存器传输级的电路，那么用HDL描述以后转化为文本的形式，剩下的向更低层次的转换就可以让EDA工具去做了，这就大大的降低了工作量。这就是可综合的概念，也就是说在对这一抽象层次上硬件单元进行描述可以被EDA工具理解并转化为底层的门级电路或其他结构的电路。在FPGA设计中，就是在将这以抽象层级的意见描述成HDL语言，就可以通过FPGA开发软件转化为问题1中所述的FPGA内部逻辑功能实现形式。HDL也可以描述更高的抽象层级如算法级或者是体系结构级，但目前受限于EDA软件的发展，EDA软件还无法理解这么高的抽象层次，所以HDL描述这样抽象层级是无法被转化为较低的抽象层级的，这也就是所谓的不可综合。所以在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。如果看到的HDL始终是一条条的代码，那么这种人永远摆脱不了菜鸟的宿命。假如哪一天看到的代码不再是一行行的代码而是一块一块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

3、FPGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外这一点恐怕也是很多学FPGA的菜鸟最难理解的地方。
FPGA是给谁用的？很多学校解释为给学微电子专业或者集成电路设计专业的学生用的，其实这不过是很多学校受资金限制，卖不起专业的集成电路设计工具而用FPGA工具替代而已。其实FPGA是给设计电子系统的工程师使用的。这些工程师通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一个电子设备，如基站、机顶盒、视频监控设备等。当现有芯片无法满足系统的需求时，就需要用FPGA来快速的定义一个能用的芯片。前面说了，FPGA里面无法就是一些“真值表”、触发器、各种连线以及一些硬件资源，电子系统工程师使用FPGA进行设计时无非就是考虑如何将这些以后资源组合起来实现一定的逻辑功能而已，而不必像IC设计工程师那样一直要关注到最后芯片是不是能够被制造出来。本质上和利用现有芯片组合成不同的电子系统没有区别，只是需要关注更底层的资源而已。要想把FPGA用起来还是简单的，因为无非就是那些资源，在理解了前面两点再搞个实验板，跑跑实验，做点简单的东西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂点FPGA知识就远远不够了。因为最终要让FPGA里面的资源如何组合，实现何种功能才能满足系统的需要，那就需要懂得更多更广泛的知识。目前FPGA的应用主要是三个方向：第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMCEMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学_运算了，这个问题只有再议了。第三个方向就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。我曾经看好的是cypress的Psoc这一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史载SOC芯片里面去嵌入那么一小块FPGA，那这样其实可以满足嵌入式的那些微小的硬件接口差异，比如某个运用需要4个USB，而通常的处理器不会提供那么多，就可以用这么一块FPGA来提供多的USB接口。而另一种运用需要6个UART，也可以用同样的方法完成。对于嵌入式设计公司来说他们只需要备货一种芯片，就可以满足这些设计中各种微小的差异变化要的差异化仍然是通过软件来完成。但目前cypress过于封闭，如果其采用ARM作为处理器内核，借助其完整的工具链。同时开放IP合作，让大量的第三方为它提供IP设计，其实是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好过，Psoc的思想也不知道何时能够发光。

4、数字逻辑知识是根本。
无论是FPGA的哪个方向，都离不开数字逻辑知识的支撑。FPGA说白了是一种实现数字逻辑的方式而已。如果连最基本的数字逻辑的知识都有问题，学习FPGA的愿望只是空中楼阁而已。而这，恰恰是很多菜鸟最不愿意去面对的问题。数字逻辑是任何电子电气类专业的专业基础知识，也是必须要学好的一门课。很多人无非是学习了，考个试，完了。如果不能将数字逻辑知识烂熟于心，养成良好的设计习惯，学FPGA到最后仍然是雾里看花水中望月，始终是一场空的。以上四条只是我目前总结菜鸟们在学习FPGA时所最容易跑偏的地方，FPGA的学习其实就像学习围棋一样，学会如何在棋盘上落子很容易，成为一位高手却是难上加难。要真成为李昌镐那样的神一般的选手，除了靠刻苦专研，恐怕还确实得要一点天赋。

   -------  可能你没有耐心去读这篇文章， 那请你后悔去。慢慢做你的菜鸟，终老一身吧。  -------

回想起自己学FPGA，已经有一段时间了，从开始的茫然，到后来的疯狂看书，设计开发板，调电路，练习各种FPGA实例，到最后能独立完成项目，一路走来，感受颇多，拿出来和大家分享，顺便介绍下自己的一点经验所得，希望对初学者有所帮助。

　　废话不说了，下面进入正题，学习FPGA我主要经历了这么几个阶段：
   
    ①、 Verilog 语言的 学习 ，熟悉Verilog语言的各种语法。
    ②、FPGA的学习，熟悉QuartusII软件的各种功能，各种 逻辑 算法设计， 接口 模块(RS232,LCD,VGA,SPI,I2c等)的设计，时序分析，硬件优化等，自己开始设计简单的FPGA板子。
    ③、NiosII的学习，熟悉NiosII的开发 流程 ，熟悉开发软件(SOPC,NiosII IDE),了解NiosII的基本结构，设计NiosII开发板，编写NiosII C语言 程序 ， 调试 板子各模块功能。

        先来说说第一个阶段，现在主要的硬件描述语言有VHDL，Verilog两种，在本科时老师一般教VHDL，不过现在

        Verilog用的人越来越多，其更容易上手(与C语言语法比较类似),也更灵活，现在的IC设计基本都用Verilog。像 systemC，systemVerilog之类的应该还在萌芽阶段，以后可能会有较大发展。鉴于以上原因我选择了Verilog作为我学习的硬件描述语 言。
        其实有C语言的基础，学起Verilog的语言很简单，关键要有并行的概念，所有的module，assign，always都是并行的，这一点与软件语言有明显不同。这里推荐几本评价比较好的学习Verilog的书籍：
    ①、《verilog 数字系统设计教程》，这本书对于入门是一本很好的书，通俗易懂，让人很快上手，它里面的例子也不错。但本书对于资源优化方面的编程没有多少涉及到。
    ②、《设计与验证Verilog HDL》，这本书虽然比较薄，但是相当精辟，讲解的也很深入，很多概念看了这本书有种豁然开朗的感觉，呵呵。
        学习Verilog其实不用看很多书，基本的语法部分大家都一样，关键是要自己会灵活应用，多做练习。

        Verilog语言学了一段时间，感觉自己可以编点东西，希望自己编的程序在板子上运行看看结果，下面就介绍我学习的第二个阶段。
        刚开始我拿了实验室一块CPLD的开发板做练习，熟悉QuartusII的各种功能，比如IP的调用，各种约束设置，时序分析，Logiclock设计方 法等，不过做到后面发现CPLD的资源不太够(没有内嵌的RAM、不能用SignalTapII，LE太少等)，而实验室没有FPGA开发板，所以就萌生 了自己做FPGA开发板的意图，刚好Cadence我也学的差不多了，就花了几天时间主要研究了FPGA配置电路的设计，在板子上做了Jtag和AS下载 口，在做了几个用户按键和LED，其他的口全部引出作为IO口，电路比较简单，板子焊好后一调就通了(心里那个爽啊...)。我选的FPGA是 cycloneII系列的EP2C5，资源比以前的FPGA多了好几倍，还有PLL，内嵌的RAM，可以试试SignalTapII，用内嵌的逻辑分析仪 测试引脚波形，对于FPGA的调试，逻辑分析仪是至关重要的。利用这块板子我完成了项目中的几个主要功能：RS232通信，指令译码，配置DDS，AD数 据高速缓存，电子开关状态设置等，在实践中学习起来真的比平时快很多，用到什么学什么动力更大。这个时候我主要看的数据有这几本感觉比较好：
    ①、《Altera FPGA/CPLD 设计（基础篇）》：讲解一些基本的FPGA设计技术，以及QuartusII中各个工具的用法 （IP，RTL，SignalProbe，SignalTapII，Timing Closure Floorplan，chip Editor等），对于入门非常好。
    ②、《Altera FPGA/CPLD 设计（高级篇）》：讲解了一些高级工具的应用，LogicLock，时序约束很分析，设计优化，也讲述了一些硬件编程的思想，作为提高用。
    ③、《FPGA设计指南--器件，工具和流程》：这本书看了他的目录忍不住就买了，这本书讲述了FPGA设计的各个方面，虽然每个方面都是点到为止，但能让你有个整体的概念，了解FPGA的所有设计功能，了解FPGA开发的整个流程。
    ④、在这里也推荐几个学习FPGA比较好的论坛
        http://www.edacn.net/bbs
        http://www.eetop.cn/
    ⑤、其实最好的学习网站莫过于Altera的官方网站www.altera.com，不过很多人一看到英语就不想看，其实上面的英文很简单，很多时候不敢看是因为对自己没信心或心静不下来看。不过官方网站上资料很多，刚开始可能会觉得资料安排的有点乱，不方便查找，以后有时间我列个资料的链接目录，整理一下，方便大家查找。
   
        到这里，自己最FPGA的学习有一段时间了，练习了很多实例，自己也编写了不少程序，也有了一些项目经验，算是对FPGA有些了解了。在不断的学习中发现 FPGA不仅可以做逻辑设计，算法设计等，还能做嵌入式开发，altera先后开发了Nios，NiosII两款FPGA的嵌入式软核，并有配套的软件， 刚开始看到这些我真是心中突然豁然开朗，学习真的是无止境，又一个全新的领域摆在我面前，我决定学习NiosII，要学就要学最好。
        刚开始入门是很痛苦的，嵌入式设计需要从硬件到驱动到软件全部熟悉，硬件系统问题还不是很大(以前做过单片机，DSP等MCU),处理器的架构心里还有点 数，对于驱动和软件工程，刚开始学习真的很头痛。NiosII应该还算比较新的内容(应该是2004年出的)，国内的书籍不算很多，网上这方面的资料也比 较零碎，所以我就开始将Altera网站上这方面的资料系统的看一边，这里推荐几本网站上的handbook：
    ①、Embedded Design Handbook
    ②、Nios II Processor Reference Handbook
    ③、Nios II Software Developer's Handbook
    ④、Quartus II Handbook, Volume 4: SOPC Builder
    ⑤、Quartus II Handbook, Volume 5: Embedded Peripherals
        看完这些handbook，总算基本明白整个架构，软硬件设计方法，驱动的编写等，感觉自己可以编一些嵌入式的程序了，不过虽然前面做的那块ep2c5的 板子支持NiosII系统，不过对于嵌入式设计来说还是显得单薄了一点，没有SDRAM，Flash这两个比较基本的模块，Ep2C5内嵌的RAM太小， 程序写不大，而且每次总要绞尽脑汁优化程序代码大小，很多时候优化了后函数功能会受到限制，不利于初学者，也不利于调试。所以到这里我有产生了自己做一块 Nios开发板的想法(直接买比较贵，自己做便宜，而且还能锻炼自己，一举两得)，通过借鉴其他开发板，选择自己开发板上需要包含什么模块，确定各个模块 使用什么芯片，阅读各个芯片的datasheet，画出原理图并做出PCB图，这块板子我选的是Ep2c8Q208，比上一块资源又将近多了一倍，板子上 还有以下模块：SDRAM，Flash，EPCS4，RS232，USB,VGA,PS2,AD,DA,LCD等，满足了一般开发板的配置要求。板子回来 以后调试了四五天，(flash工作了，LCD显示了，RS232通了，USB通了，AD，DA工作了，SDRAM正常了...)，真是每天都有惊喜，每 个模块都编写了NiosII软件测试程序，调试硬件的时候对软件的运行也更熟悉了。在这次调试的过程中真的学到了很多，为此专门写了好几页调试笔记，下次 拿出来和大家一起分享。现在硬件平台有了，NiosII也了解的差不多了，终于可以自己编写一些规模大一点的程序了。
    以后的路还很长，不过也有很多惊喜在等着我们......