FPGA的“可编程”使你迷惑吗？

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FPGA的“可编程”使你迷惑吗？

 

任何一个硬件工程师对FPGA都不会陌生，就好比C语言对于软件工程师来说是必修课程一样，只要是电子相关专业的学生，都要学习可编程逻辑这门课程。FPGA的英文全称是Field Programmable GateArray，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

从表象看，Programmable这个单词确实能够很好的描述FPGA的特点，但这也使得很多初学者走了不少弯路。一说到编程，大家不免联想到coding，因为软件编程的思想对工程师来说已经是根深蒂固了。因此，很多初学者都会问一个相同的问题，两种硬件编程语言VHDL和Verilog，应该学哪个？即使明确了要学习哪种设计语言，也会一头扎进浩瀚的语法中，走向歧途。有些初学者写了大量的代码，在Demo板上跑了n个试验，可还是觉得不懂FPGA，甚至搞不清楚它和单片机的区别。这是为什么？其实，这都归结一个原因，就是被“可编程”这3个字给迷惑了，也就是说，没有弄清楚FPGA的本质是什么。因此，对于FPGA的学习也就不着法门，事倍功半，浪费了不少时间，却仍然达不到效果。

FPGA是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。因此，从底层来看，FPGA还是属于集成电路的范畴。就当前的技术而言，使用FPGA开发项目还是全部基于数字电路设计的，所以，FPGA的“可编程”也就是实现不同的数字电路逻辑。这与所谓的软件编程有着本质的区别！归根结底，FPGA设计就是电路设计，因此，对于每个FPGA工程师来说，在做设计时必须在脑中有电路的模样，这很重要！那么，到底该如何有效地学习FPGA呢？其实，很简单，只要从以下7点着手，循序渐进，日积月累，就完全能够对FPGA设计游刃有余。

1. 
首先，必须了解FPGA的结构和性能。不同厂家，不同系列的FPGA芯片都有不同的结构和性能，但是万变不离其中。刚开始，从掌握几款典型的高端芯片开始，例如Altera公司的Stratix III和Xilinx公司的Virtex5。之后，再去了解其它系列的芯片就很容易了。至于Lattice和Actel公司的芯片，当使用时再了解也不迟，因为学习主流的东西才会更加有效！许多有关FPGA的教科书都会以几款常用的芯片为例，讲述FPGA的基本结构和原理。初学者看了后，总觉得过于抽象，有点不知所云的感觉。因此，为了深刻理解FPGA，必须要有扎实的数字电路基础！在数字电路里，最基本的就是逻辑和时序。工程师必须明白FPGA内部逻辑结构和数字电路基本电路结构的关系。例如，任何4个输入信号的组合逻辑都可以通过FPGA提供的4输入LUT来实现。如果使用Xilinx的芯片，移位寄存器既可以通过多个触发器级联实现，也可以通过LUT来实现。通常，初学者可以设计出正确的逻辑，但却很容易忽略时序。在I/O口的设计中，与时序相关的缺陷对于产品是致命的，会影响产品的可靠性。因此，在掌握了结构后，还必须关注芯片的一些重要时序参数，例如I/O口时钟的建立时间、保持时间和从触发器到输出的延迟时间，以及芯片内部工作时钟的最高频率等等。只有充分掌握了所使用芯片的结构和性能，才能设计出一个合理的系统，才能保证FPGA的设计可靠稳定。FPGA厂商提供的大量文档是一个不错的学习资料。

2. 
FPGA既然是“可编程”，自然离不开编程语言。其实，早期的工程师大多使用原理图输入方式进行逻辑设计，这是一种更接近于电路设计的设计方式。这种设计方式对设计者要求较高，而且也不利于移植和维护，因此VHDL和Verilog才渐渐流行起来。这两种语言，无所谓孰优孰劣，只不过Verilog发展的比VHDL好，而且和将来可能一统天下的SystemVerilog比较接轨。它们都是硬件描述语言。既然叫硬件描述语言，自然是和软件世界里的编程不一样，所以，初学者不能把它当作软件编程语言来学习，否则就会舍本逐末。如果仅仅只是从事FPGA逻辑设计和做简单的功能仿真，只需学习最简单的语法就够了。那些用于写验证脚本的语法，完全不用学，基本用不上。语言仅仅只是一个工具，尤其在硬件设计里，代码写得漂不漂亮，并不重要，最关键的是设计思想。记住，FPGA工程师是在设计电路，而不是在“编程”！

3. 
很多工程师会谈到算法的重要性，认为必须懂得很多算法。没错，好的算法对于设计来说犹如利器一般。可是，研究算法和如何实现算法是两个不同的概念，研究算法是在做数学题，实现算法才是工程师的职责。这里并不是说FPGA工程师不用去研究算法，而是强调职责所在。不同的算法，我们对其原理的研究和理解的要求也是不同的。例如8B/10B编码，只要你懂得在哪里需要使用它就够了，现成的IP Core可以直接调用。但是，诸如FEC编解码这样的算法，则只有了解了基本原理后才可能懂得如何实现。对于算法，FPGA工程师的重点就是在于“如何实现”！。另外，算法之外，逻辑设计里常用的设计方法必须懂得，例如，乒乓操作、流水线设计和分时复用等等。还有常用的逻辑模块，如异步FIFO、状态机，这些其实都是数字电路里最基础的东西，但是对于初学者来说，在做FPGA设计时未必会正确的使用。

4. FPGA设计必须有一个好的设计流程来支撑。代码写完后，花大量时间做完善的功能仿真和验证是很有必要的。可是一些工程师并不重视仿真和验证，而是迫不及待的上板调试。碰到BUG后就在代码上修修补补，运气好的话，BUG表面上是解决了，可真正深层次的原因却未必发现，给产品留下了隐患。一个好的设计流程要求大多数BUG在前期工作中必须解决掉，功能仿真和验证则是一个很有效也很重要的步骤。除了仿真验证，综合和布线也必须重视，这要求我们必须仔细浏览编译报告和时序报告，因为，许多时序问题都能通过报告反映出来。有时候，一些工程师碰到时序问题，仅仅做时钟反相来调整数据和时钟的相位关系，或者修改综合和布线的参数，仍无法解决问题。尤其是在用了高速时钟的设计里，大多数情况，我们只有修改代码里的逻辑才能满足设计的时序要求。这些也只有仔细分析了报告后，才能对症下葯。另外，对于大多数同步逻辑设计来说，时序仿真是没有必要的，这一步完全可以省略。

5. 
现阶段，FPGA发展的三大方向就是SOC，高速I/O和DSP。在有限的时间里，选择一个领域进行主攻是有必要的，只有明确了目标，才会更加投入。SOC设计要求设计者对软件编程、CPU原理甚至是操作系统比较了解才行，因为SOC就是一个软硬件结合的系统。高速I/O设计则要求设计者掌握许多模拟电路的基本知识以及一些常用的通信协议，例如，SDH、GbE、PCI-E等等。FPGA在DSP领域的使用是近几年兴起的一个发展方向。FPGA由于其内在的并行特性，能以很高的效率实现DSP算法中计算量较大的模块，非常适合视频和图像处理等对DSP性能要求越来越高的新兴应用，设计者需要掌握数字信号处理常用算法。这3个方向完全不同，切勿囫囵吞枣，一切通吃！“术业有专功”，资深的高级工程师也很难在多个方向都取得成就。当然，若能在一个领域有较深的研究，同时，对另外两个领域也有一定的了解，那就更好了。

6. 
一个优秀的FPGA工程师，必须做到“一专多能”。所谓的“一专”当然是指在FPGA设计领域的专业深度，而“多能”则是要求工程师对其它专业领域也要有所了解和掌握。例如，对于设计一个SOC系统来说，C语言就必须学习，否则对于片上系统的架构就可能不合理。另外，对于设计高速I/O口的工程师来说，电路板原理设计和PCB设计则需要有所了解。只有掌握了预加重、均衡以及阻抗匹配等这些与模拟电路相关的概念，才可能在设计和调试中得心应手。

7. 
最后一点，也是最难的一点，这也是迈向高级工程师的关键，就是FPGA的设计需要一个好的系统架构方案和合理的模块化分。这有助于FPGA的调试和维护，也便于多人共同开发，尤其是在使用大规模FPGA时，这也就是常说的Top－Down设计方式。把一个庞大的、复杂的设计化分成若干个小模块，而且层次要分明，不能扁平化，这需要设计者对设计必须有全面深刻的理解。一个杂乱无序的设计对于后期的维护是灾难性的，尤其是对于接手者来说，若要修改某个逻辑，可以说是苦不堪言。从这一点看，初学者的问题都可以在这里找到答案。FPGA学什么？就是学习系统级的电路设计。所以，FPGA工程师的发展方向就是系统工程师。

以上7点若能有深刻理解，则就能看清FPGA的本质了。市场的瞬息变化，要求电子产品必须对市场具有高敏感性，产品从方案设计到市场投放的时间越来越短，FPGA在其**不可没。另外，在面对Cost Down时，FPGA也起着不可或缺的作用。在当今时代，FPGA已经在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域，相信FPGA工程师也必将会有一个更加广阔的施展空间。