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「超级干货」初学者如何开始学习FPGA?
智能物联研习社 | 2021-04-13 20:14:38    阅读:3003   发布文章

作为一名初学者,如果你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。

FPGA为什么是可以编程的?

恐怕很多初学者不知道,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运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的,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。

其次,再来了解下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?

这不有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。

另外,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的初学者最难理解的地方。

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,买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****、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里面无非就是一些“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。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。

最后,推荐一个我觉得非常不错的开源智能硬件开发平台,还在学校的时候就用它开发过不少能用手机App/智能音箱控制的作品,平台上还有sdk和电路原理图可以查看,自己DIY智能硬件非常方便,也可以帮助你了解如何画PCB。作为一名初学者,如果你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。

FPGA为什么是可以编程的?

恐怕很多初学者不知道,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运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的,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。

其次,再来了解下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?

这不有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。

另外,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的初学者最难理解的地方。

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,买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****、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里面无非就是一些“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。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。

最后,推荐一个我觉得非常不错的开源智能硬件开发平台,还在学校的时候就用它开发过不少能用手机App/智能音箱控制的作品,平台上还有sdk和电路原理图可以查看,自己DIY智能硬件非常方便,也可以帮助你了解如何画PCB。

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原文来源:硬件发烧友-知乎


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