教你如何轻松玩转FPGA开发

很多人在刚接触FPGA时都有着无从下手的体验，包括刚开始做FPGA开发时候的笔者亦如此。针对这种情况，新手要多做试验，多思考，然后试着写些小的程序，再在FPGA上验证功能，如果不是想要的就再调试，慢慢的就可以学习到一些实际的东西。FPGA终极目标不是理论，而是实现实践的路径，成为“书虫”肯定是不行的，所以建议大家多动动手。

做开发需要什么样的心态？个人性格我觉得这个是勉强不来的，有的人做销售，不需要什么技术和技巧，因为他从小就能说会道，周边的人都比较喜欢，和别人沟通，交际这方面比较擅长。如果是这样的人，就适合做销售和行政之类，和别人打交道的工作，如果你让这些人做技术，他坐不住，处处感觉别扭。

有的人做研究，从小就沉默寡言，喜欢发呆思考问题，数理化总能不怎么学都能考试高分，但是如果家里来了亲戚，确害羞的不爱说话，也就是人们常说的木讷。这些人适合做技术。如果你让这些人做销售，单子估计一个也接不到。所以我觉得不管做什么，根绝自己的性格找到合适的工作，这样身心愉悦。实际上，开发工作也是一项较累人的工作。

回归正题，FPGA首先要了解硬件，大部分做FPGA不太关注硬件问题，都认为硬件不是FPGA的问题，这就大错特错了，硬件设计的好坏直接影响到FPGA工作的质量。

做FPGA需要注意调试各类驱动芯片，如果做通信的话，有各种通信芯片，主要包括PHY芯片，通信交换芯片，光纤驱动芯片等，各类芯片。另外还有各种通信接口。这些接口和芯片需要时间去调试和积累，这些不是在论坛上能完成的，这个过程是要在实验室来完成的。另外，定位FPGA的位置，FPGA要了解的大部分不是FPGA知识，而是硬件知识和软件知识，这是因为FPGA的位置，FPGA的硬件和软件的桥梁。

目前FPGA的发展方向分为接口统一化（类似于AXI系接口）、硬件语言软件化、系统化。以后FPGA开发难度会越来越下降，也是技术开发的方向。在几年前，硬件很吃香，现在几乎不需要硬件工程师，其实并不是不需要，而是硬件越来越标准化，一个行业越来越标准，说明开发的难度也随之降低。

FPGA代码其中一个最重要的步骤就是仿真。仿真简单的说，就是验证代码是否正确，其中就包含了很多仿真的东西，测试平台的搭建，库的建立等等。最让我们忽略的恐怕就是线延时了。

有时仿真正确，但是加载到FPGA里面就不正确了，这是为什么呢？忽略了一个问题，那就是线延时。接口从FPGA到接口芯片肯定铺铜线过去了，中间这段走线是有延时。所以在仿真时，测试平台要在库和顶层之间加上一定的延时，来保证我们代码的正确。

那么目前FPGA的主要生产厂商有哪些？有哪些区别？

1．Altera，开发平台是Quartus II

2．Xilinx开发平台是ISE

3．Actel ，开发平台是Libero

4．Lattice

5．Atmel

其中Altera作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家，是可编程逻辑器件的发明者，开发软件MAX+PLUSII和QuartusII。记得上学的时候用的用的就是altera的芯片，当时的工具也是MAX，现在感觉当时的软件很强大了，现在感觉比较弱智了，下载FPGA就是用串口，当时的时钟速率也就是25M左右，用的是试验箱，就是一个大箱子，里面有板子和说明，板子上还有8位数码管和跳线。

Xilinx是FPGA的发明者，拥有世界一半以上的市场，提供90%的高端65nmFPGA产品，开发软件为ISE,其产品主要用于军用和宇航。

毕业后就是xilinx的，altera的很少用，大家一定问为什么，我也毕业的时候也是这样问老大的，老大说altera的不好用，我也有点气不忿儿，现在看来确实是这样，总结几点：

1：xilinx的资源丰富，新手会说很杂不容易用，但是如果上手之后，里面的资源确实会为你处理带来方便，比如说BUFG，IODELAY，ODDR，OBUFT等等这些小的资源，还有一些IPcore，altera的好像要少些。

2：xilinx逻辑量比较大，一些大容量的FPGA好像altera没有这么大的，比如V5，V6，V7，K7，这些altera是远远没有的。不过也带来了隐患，比如说散热。不过有一点xilinx好像没有altera的做的好，那就是高速查分线，xilinx叫GTP,GTX，GTH，现在好像也区别不大了。Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。

讲到FPGA语言就不得不讲verilog和VHDL，本人大学学的是VHDL，工作就一直在用VHDL。veilog更接近底层，关键是更接近C，所以被FPGA工程师所喜欢。HDL特别是Verilog HDL得到在第一线工作的设计工程师的特别青睐，不仅因为HDL与C语言很相似，学习和掌握它并不困难，更重要的是它在复杂的SOC的设计上所显示的非凡性能和可扩展能力。在学习HDL语言时，笔者认为先学习VerilogHDL比较好：一是容易入门；二是接受Verilog HDL代码做后端芯片的集成电路厂家比较多，现成的硬核、固核和软核比较多。而在实现上，veilog更容易实现。

比如说要例化多个模块，我们就可以用for语句，并且这个是可综合的。在申明总线时，由于比较繁琐的语句的时候，稍不注意还会有书写错误。也许在veilog里面，只需要一个for语句就能搞定。

begin : loop

integer i;

for(i = 0; i <= 7; i = i + 1)

begin

if(int_stat_clr[i] ==1)

int_stat[i] <= 0 ;

end

end // block: loop71

这就话的意思就是如果stat_clr寄存器某一位为1，那么相对应的stat下面的一位就为1，这样写是不是很简单。

wire和reg的区别

reg相当于存储单元，wire相当于物理连线，但是新学FPGA的会问，存储单元是什么，其实说白了就是D触发器。通俗的解释就是，wire相当于物理连线，就当与铜丝，PCB板子的走线，reg相当于芯片。wire走线延时小，几乎可以忽略不计。reg一个时钟的延时，这样就够了。

赋值：

wire对应的是assign，always，reg对应的always或者initial。

例如：

assign a = b ;把b点和a点相连接

always @（b）

a=b ;

表示变化出发

always @（posedge clk）

a<=b ;

把b线经过一级D触发器给a，可以看出这时：

1、wire型的变量综合出来一般是一根导线；

2、reg变量在always块中有两种情况：

(1)、always后的敏感表中是b 形式的，也就是不带时钟边沿的，综合出来还是组合逻辑

(2)、always后的敏感表中是（posedge clk）形式的，也就是带边沿的，综合出来一般是时序逻辑，会包含触发器（Flip－Flop）

FPGA用的所有的信号赋值都是wire和 reg ，学会了这两个也就掌握了FPGA的基本。

I2C

众所周知，FPGA一般作为主控芯片，I2C也一般是做主设备。一般情况下，I2C做从设备是不好做的，特别是做大容量的从设备。I2C看起来简单，但是里面还有很多问题，如果我们只考虑简单的7为device address,8 bit register address，数据读写位也是简单的8bit的话，另外读写只是简单的I2C interface的话，还简单些。

如果要考虑大容量的，如16bit的设备地址，读的情形考虑到简单的接口外还要考虑有restart的情况，就不好做了，如果要考虑的再细一点，特别是做图像处理的话，读写EDID的时候有个搜索device设备的过程，这种情形恐怕做好的就不容易了。

如果是大厂商，像一些AT的ROM，Flash等公司，做的也是巨烂，我们用他们的芯片，用ARM访问也是会有一些问题，就是他们考虑的不太周全。像一些图像驱动的厂商，做的I2C相对来说还好些；通信设备的I2C写的也是很差，控制起来比较麻烦，像一些光纤收发器的厂商，也就是光模块的厂商，有的时候你用ARM等标准设备访问的时候，也会有一些问题。

所以如果要做个I2C的从设备的话，要考虑的周全一些，这样我们的芯片健壮性就会比较高。

关于FPGA的延时以及时序等要求包括skew,width,period,hold&set time。

检查时钟和控制信号在指定事件之间的时间间隔，包括：skew、width、period和nochange。

skew：$skew(reference_event, data_event, limit, notifier); 限制最大偏斜$skew (posedge clk1, posedge clk2, 1, notifier); 当data_eventtime - reference_event > limit，则会报告skew timeviolations。$skew是基于事件（event-based）的，如果监测到一个reference_event，那么就开始评估脉宽，只要监测到一个data_event，就会生成相应的报告，直到监测到下一个reference_event，才重新开始新的监测。如果在监测到一个data_event之前，又监测到一个reference_event，那么就放弃本次评估，重新开始新的评估。

width：$width(controlled_reference_event, limit, threshold, notifier); 限制最小脉宽 $width (posedge in, 2, notifier); 这里data_event是隐含的，它等于reference_event的相反边缘，当width < limit时，就会报告width time violations。

period：$period(controlled_reference_event, limit, notifier); 限制最小周期$period (negedge clk, 10, notifier); 这里data_event是隐含的，它等于reference_event的相同边缘，当period < limit时，就会报告period time violations。

nochange：$nochange(reference_event,data_event, start_edge_offset, end_edge_offset, notifier);当eading reference event time - start_edge_offset < data_event

先描述下逻辑：FPGA实现一个逻辑，每按下一个按钮（逻辑做了消抖），出现10个200ns的脉冲，然后通过示波器抓输出波形，示波器出发条件，设置自动触发（上升沿）或者条件触发<1ms都试过。

问题出现：每次按下按钮，不是每次都能在示波器看到脉冲波形，大概按下10次会有1-2次示波器抓不到波形！

首先怀疑是做的逻辑问题，这个楼主一贯的风格，先怀疑自己，验证自己没有问题了再怀疑相关，而不是想当然说自己这个没问题那个没问题，我觉得这点很重要，就是怀疑精神，我发现设计工程师都想把自己推的一干二净，说自己的没有问题，我觉得出现问题任何地方都是值得怀疑的，先去检查自己，不是说自己没问题就没有问题的，如果后来证明是自己的问题，这不相当于自己打自己的脸吗！

总结一点：要有怀疑精神，所有相关的都是值得怀疑的。

好了，回归正题，然后我用chipesope抓到是输出逻辑有波形，但是示波器上看不到，出现这种情况大家会怎么做？

输出逻辑没有问题后，初步判定是不是IO的驱动能力，因为外面直接用示波器测量的，是不是没有负载，所有输出不正常，基于这点将输出的逻辑再接入到FPGA某一输入管脚，然后又写着一段程序，检测输入是不是有信号过来，然后做了计数之类，结果发现，当示波器没有波形的时候，输入的信号也有，计数也正常。出现这种情况大家会怎么做？

是不是同一芯片的问题，然后我把这个输出的管脚飞线到另外一个芯片，当示波器没有波形的时候，另外一个芯片输入的信号也有！

基于以上测试，我大胆预测是示波器的问题，也不能说是示波器的问题吧，估计是没有这种的应用场景。

然后有试了另外一家的芯片，写上同样的逻辑，测试结果一样。

做了这么多试验，也证明了，就是示波器没有这样的场景。用的示波器是泰克的2032等，试了他的两款表，都是如此，不是黑他的表，据估计，所有的表也都如此。