FPGA初学者的入门之道

前言

很多FPGA初学者，都会怀疑学习FPGA有没有前途，发展前景怎么样，到底该怎样学习FPGA？？？各种迷茫，导致无法踏踏实实、全身心投入FPGA学习与开发工作中。下面请看看一个死磕FPGA 15年的大神给大家的肺腑之言，相信看完之后的你不在徘徊、不再犹豫、能够勇往直前。

作为一个从事了15年FPGA行业的大龄工程师。期间接也触过一些项目管理和技术支持之类的工作，但总觉得自己更适合死磕技术。在FPGA的领域找到未来的指引。”

做FPGA不只是写写代码

“FPGA作为数字系统的主角儿，经过近20年的突飞猛进发展，大家都明白这个领域的工程师对经验是非常看重的，属于典型的入门简单，若要精深就很难，做FPGA开发不只是会写写verilog和VHDL代码这么简单，而是要设计芯片，如果按照芯片的设计要求，才能提高自身的能力。”

“硬件开发语言是用来设计芯片的，而数字芯片也就是0/1的翻转，HDL能够逐渐映射出一个个与非门、触发器、存储器，以及他们之间的时序关系，时时刻刻考虑怎样设计才能保证面积小、延迟低。功能做对了还要考虑时序优化，即使功能设计的再完美，代码写的再简洁，设计的时候没有考虑时序，一切都是花架子、空摆设。”

FPGA是数字系统的主角

“FPGA逐渐从粘合逻辑转变为系统级角色。开始的时候主要用于做接口、做通信，也就是偏向硬件。如此，最基本的接口协议便很重要，不懂接口协议FPGA就是孤家寡人，没有数据的交互，什么都干不了，故一个成熟的FPGA工程师不是熟悉FPGA就好。”

后来，FPGA开始逐渐用来做做算法、做控制，如果要用FPGA做算法，还需要学习更高级的语言做仿真和验证，更重要的是要把算法映射到FPGA的硬件资源或者外设，并基于速度、面积和功能做平衡，做优化。还是挺有挑战呢。

现在，随着人工智能、机器视觉的崛起，FPGA更加偏向系统级设计，有了软件算法的异构，能够替代GPU和CPU”.

所以，已经在路上的不用回头，也许你面前沟沟坎坎很难走，甚至有一堵墙遮光蔽日，但是，前途是绝对光明的。

01、FPGA入门之道

对于新手学习FPGA设计，要从基础开始做，基础牢，才有成为高手的可能。

以下几步是初学者必须要踏实走过的：

step 1：

了解FPGA结构，FPGA到底是什么东西，芯片里面有什么，不要开始就拿个开发板照着别人的东西去编程。只有了解了FPGA内部的结构才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的。

step2：

了解了FPGA的结构和设计流程才有可能知道怎么去优化设计，提高速度，减少资源，不要急躁，不要再为选择什么语言和选择哪个公司的芯片上下功夫。语言只是一种表达的方式，重要的是你的思维模式，没有好的指导思想，语言用得再好，不过是个懂语言的人。

step3：

开始学习代码了。一定要系统的，由浅入深的去学习FPGA。

step4：

template很重要。能不能高效利用fpga资源，一是了解fpga结构，二是了解欲实现的逻辑功能和基本机构，三是使用正确的模板。FPGA内部器件种类相对较单一，用好模板，你的逻辑才能被高效的综合成FPGA擅长表达的结构。

做fpga主要是要有电路的思想，作为初学者，往往对器件可能不是熟悉，但对于数字电路的知识应该很熟悉，fpga中是由触发器和查找表以及互联线等基本结构组成的，其实我们在代码里面能够看到的就是与非门以及触发器，切记不要把verilog和c语言等同起来，没有什么可比性，根本就是不同的东西，在写一句FPGA程序的时候应该想到出来的是一个什么样的电路，计数器,选择器 ,三态门等等，理解时序，逻辑是一拍一拍的东西，如果在设计初期想的不是很清楚，可以先画画时序图，这样思路会更加的清晰。

仿真很重要，不要写完程序就去往fpga中去加载，首先要仿真，尤其是对较大型的程序，想像自己是在做asic，是没有第二次机会的，所以一定要把仿真做好。

很多新手对于语言的学习不知道选vhdl好还是verilog好，个人偏好verilog，当然不是说vhdl不好，反正写出来的都是电路，那当然就不要在语言的语法上面花太多的功夫了，verilog 言简意赅assign always case if else 掌握这些几乎可以写出90%的电路了。

02、FPGA设计者需修炼的5项基本功

成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：

仿真：Modelsim, Quartus II(Simulator Tool) riple，ISim

综合：Quartus II (Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)，ISE,Vivado

时序：Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)，ISE,Vivado

调试：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)，Chipscope

验证：Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。

练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：

通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。

通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。

通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。

搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。

全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。

把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。