一文帶你了解FPGA

大家好，又到了每日學(xué)習(xí)的時(shí)候了。自1985年問(wèn)世以來(lái)，FPGA這種可編程邏輯器件憑借在性能、上市時(shí)間、成本、穩(wěn)定性和長(zhǎng)期維護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)，在通信、醫(yī)療、工控和安防等領(lǐng)域占有一席之地。特別是近兩年，隨著云計(jì)算、高性能計(jì)算和人工智能的繁榮，擁有先天優(yōu)勢(shì)的FPGA更是得到了前所未有的關(guān)注。近幾年隨著國(guó)家開(kāi)始大力發(fā)展實(shí)業(yè)，國(guó)內(nèi)集成電路行業(yè)發(fā)展越來(lái)越好，隨之由于用戶對(duì)性能的要求越來(lái)越高，F(xiàn)PGA的可編程、高速度、低功耗、較低的二次開(kāi)發(fā)成本的優(yōu)越特性，帶動(dòng)了FPGA行業(yè)的發(fā)展，有很多同學(xué)們開(kāi)始自學(xué)FPGA。

首先，先來(lái)了解一下FPGA，F(xiàn)PGA：Field-Programmable Gate Array，中文名字：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。FPGA由六部分組成：可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。英特爾首席執(zhí)行官科再奇曾這樣描述：“你可以把FPGA想象成一堆gate，能夠隨時(shí)編程。FPGA可以用作多個(gè)領(lǐng)域的加速器，例如在加密的同時(shí)進(jìn)行面部搜索，并能在微秒內(nèi)重新編程。其成本遠(yuǎn)低于大規(guī)模單個(gè)定制部件，并具有更高的靈活性?！?br />
FPGA是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表(16×1RAM)來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

下圖為四輸入查找表結(jié)構(gòu)。

下圖為FPGA的結(jié)構(gòu)

關(guān)于FPGA概念以及結(jié)構(gòu)等等的介紹就到這里，如果大家還想要詳細(xì)了解，可以自己去查閱資料。接下來(lái)，咱們就來(lái)聊聊初學(xué)FPGA時(shí)需要注意哪些知識(shí)點(diǎn)或者小細(xì)節(jié)，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助。 區(qū)別一下軟硬件幾種類型

通用應(yīng)用軟件
a. 軟件匯編語(yǔ)言(Assembly Language)是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。
b. 主要關(guān)心邏輯和抽象，關(guān)心代碼量大了之后復(fù)雜度可控。硬件資源較多，硬件性能差別較大，不需要針對(duì)特定資源設(shè)計(jì)。
c. 邏輯分層較多，來(lái)源于抽象的性能損耗可以接受。甚至于現(xiàn)在很多主流語(yǔ)言構(gòu)建在虛擬機(jī)和解釋器上。
d. 非實(shí)時(shí)。
e. 不需要了解底層硬件原理。

嵌入式軟件（面向硬件編程）
a. 時(shí)序可控。大部分場(chǎng)景要求實(shí)時(shí)，因?yàn)橐獫M足硬件時(shí)序。非搶占的任務(wù)調(diào)度和中斷隊(duì)列都會(huì)引入定時(shí)的偏差。
b. 資源開(kāi)銷可控。因?yàn)榍度胧接布h(huán)境大多只有有限的 RAM 和 Flash 資源。
c. 針對(duì)特定硬件環(huán)境設(shè)計(jì)。
d. 所有代碼上的抽象和優(yōu)化都必須是零損耗或者損耗可控（可以參考 rust 語(yǔ)言）。比較典型的是 GC 會(huì)引入嚴(yán)重的時(shí)序和資源不可控，所以系統(tǒng)語(yǔ)言很少使用。

數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)（硬件描述性語(yǔ)言）
a. 數(shù)字電路設(shè)計(jì)不是編程，是設(shè)計(jì)的時(shí)候先有電路，再用語(yǔ)言描述出來(lái)。
b. 時(shí)序要求更嚴(yán)，需要考慮建立時(shí)間和保持時(shí)間，及隨之而來(lái)的亞穩(wěn)態(tài)。
c. Coding style 會(huì)明顯的影響電路性能。邏輯都一樣，但是 DFF 的位置不一樣，就可能導(dǎo)致時(shí)序不滿足。
d. 并行化。執(zhí)行順序不再是 CPU 的順序執(zhí)行，而是多個(gè)并行的流水線。比如快速傅立葉 FFT。比如路由器的 CAM，單次動(dòng)作完成整表查表。

1. FPGA學(xué)習(xí)時(shí)使用的 VHDL 和 verilog HDL 不是編程語(yǔ)言，而是一種可綜合的硬件描述語(yǔ)言，我們?cè)诿枋龅臅r(shí)候一定要明白所要設(shè)計(jì)的是一個(gè)怎樣的電路。

2. 當(dāng)今社會(huì)做開(kāi)發(fā)用的 Verilog HDL 語(yǔ)言偏多，Verilog HDL 支持兩種進(jìn)程 initial 和 always 進(jìn)程，前者只能用在TB(TestBench)中，后者才是可綜合的。

3. 阻塞與非阻塞指都是相對(duì)于進(jìn)程本身而言的，簡(jiǎn)單來(lái)講，阻塞用在描述組合邏輯電路，而非阻塞用于時(shí)序邏輯電路。

4. 使用進(jìn)程模塊的電路類型：
組合電路-----對(duì)組合邏輯中使用的所有輸入敏感
例子：
always@（a or b or c）

時(shí)序電路-----僅對(duì)時(shí)鐘和控制信號(hào)敏感
例子：
always @（posedge clk or negedge rst_n）
always既可以描述組合邏輯，也可以描述時(shí)序邏輯。

5. 可以用case語(yǔ)句完成多路選擇器的功能，但是列舉的情況一定要考慮全，否則會(huì)產(chǎn)生Latch。

6. verilog中有兩類子程序：
函數(shù)和任務(wù)
函數(shù)-----根據(jù)輸入返回一個(gè)值
-----產(chǎn)生組合邏輯
-----用在表達(dá)式中：assign mult_out=mult(ina,inb);
-----函數(shù)是組合邏輯，不能含有任何延時(shí)，事件，或者時(shí)序控制聲明，至少有一個(gè)輸入變量
總是返回一個(gè)變量
-----可以調(diào)用函數(shù)，但是不能調(diào)用任務(wù)。

任務(wù)-----可以是組合或者寄存器
-----以聲明的形式調(diào)用任務(wù)：stm_out（nxt,first,sel,filter）;
-----與其他編程語(yǔ)言中的任務(wù)相似
-----與函數(shù)不同任務(wù)不需要傳遞參數(shù)，而函數(shù)要傳遞參數(shù)
-----可以調(diào)用任務(wù)和函數(shù)。
----- 可以含有任何延時(shí)，事件，或者時(shí)序控制聲明
-----返回零個(gè)或者多個(gè)數(shù)值
可綜合的verilog語(yǔ)法子集是指用硬件可以實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)法。力求用最簡(jiǎn)單的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的硬件電路。

7. 硬件都有相應(yīng)的輸入輸出的接口，或者是輸入或者是輸出，或者是輸入輸出。

8. reg 型是指時(shí)序邏輯里面的一個(gè)寄存數(shù)據(jù)（寄存機(jī)類型），wire 是組合邏輯里面的一條連線（線型）。

9. define 定義了一個(gè)參數(shù)，在整個(gè)工程里面都是有效地使用。parameter 定義的一個(gè)參數(shù)只在當(dāng)前文件里面進(jìn)行使用。

10. 各種邏輯操作符，移位操作符，算術(shù)操作符大多是可綜合的。

11. assign一般是只針對(duì)于組合邏輯，而always語(yǔ)句既可以用于組合邏輯又可以用于時(shí)序邏輯，always模塊的敏感表，如果是電平，則為組合邏輯，如果是沿信號(hào)posedge或者negedge 則為時(shí)序邏輯。

12. begin----end和C語(yǔ)言里面的{}是類似的。

13. for 語(yǔ)句-----循環(huán)因?yàn)榫C合出來(lái)的結(jié)果可能比較浪費(fèi)資源，所以就一般用的比較少，但是在一些特定的設(shè)計(jì)中可以起到事半功倍的效果。

14. Total logic element 總共消耗的邏輯單元。

15. 行為級(jí)仿真可以理解為功能仿真（前仿真）；布局布線后仿真可以理解為時(shí)序仿真（后仿真）。

16. 時(shí)序邏輯中時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)是必須的。

17. 注意wire賦值的一個(gè)問(wèn)題如下：
wire[2:0] key_an=key_rst_r&(~key_rst)
其相當(dāng)于如下的一個(gè)賦值語(yǔ)句
wire[2:0] key_an;
assign key_an=key_rst_r&(~key_rst);
其實(shí)現(xiàn)的效果是一樣的。
此種方法為：脈沖邊沿檢測(cè)法。

18. 實(shí)際工作中，除了描述仿真測(cè)試激勵(lì)（Testbench）時(shí)使用for循環(huán)語(yǔ)句外，極少在RTL級(jí)編碼中使用for循環(huán)，這是因?yàn)閒or循環(huán)會(huì)被綜合器展開(kāi)為所有變量情況的執(zhí)行語(yǔ)句，每個(gè)變量獨(dú)立占用寄存器資源，不能有效的復(fù)用硬件邏輯資源，造成巨大的浪費(fèi)。一般常用case語(yǔ)句代替。

19. FPGA一般觸發(fā)器資源比較豐富，而CPLD組合邏輯資源更豐富。

20. FPGA使用的兩種語(yǔ)言：VHDL 和 verilog HDL 。
VHDL 為美國(guó)國(guó)防部發(fā)明，用于較多的設(shè)計(jì)人員合作完成的特大型項(xiàng)目（一百萬(wàn)門以上），語(yǔ)法/結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)榫帉?xiě)出的模塊風(fēng)格清晰。
verilog HDL 第三方支持工具較多，語(yǔ)法結(jié)構(gòu)比VHDL簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)來(lái)比較容易，仿真工具比較好用，測(cè)試激勵(lì)模塊容易編寫(xiě)。

21. 時(shí)序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)：電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于時(shí)序設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)就是滿足么一個(gè)觸發(fā)器 建立時(shí)間/保持時(shí)間 的要求。
（備注：建立時(shí)間：觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前，其數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)必須保持不變的最小時(shí)間；保持時(shí)間：觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之后，觸發(fā)器在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前，其數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)必須保持不變的最小時(shí)間。）

22. 為什么觸發(fā)器要滿足建立時(shí)間和保持時(shí)間？
因?yàn)橛|發(fā)器內(nèi)部數(shù)據(jù)的形成是需要一定的時(shí)間的，如果不滿足建立和保持時(shí)間，觸發(fā)器將進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)后觸發(fā)器的輸出將不穩(wěn)定，在0和1之間變化，這時(shí)需要經(jīng)過(guò)一個(gè)恢復(fù)時(shí)間，其輸出才能 穩(wěn)定，但穩(wěn)定后的值并不一定是你的輸入值。這就是為什么要用兩級(jí)觸發(fā)器來(lái)同步異步輸入信號(hào)。這樣做可以防止由于異步輸入信號(hào)對(duì)于本級(jí)時(shí)鐘可能不滿足建立保持時(shí)間而使本級(jí)觸發(fā)器產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)傳播到后面邏輯中，導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的傳播。

23. 鎖存器（latch）和觸發(fā)器（flip-flop）區(qū)別？
電平敏感的存儲(chǔ)器件稱為鎖存器?？煞譃楦唠娖芥i存器和低電平鎖存器，用于不同時(shí)鐘之間的信號(hào)同步。
有交叉耦合的門構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)的存儲(chǔ)原件稱為觸發(fā)器。分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)?？梢哉J(rèn)為是兩個(gè)不同電平敏感的鎖存器串連而成。前一個(gè)鎖存器決定了觸發(fā)器的建立時(shí)間，后一個(gè)鎖存器則決定了保持時(shí)間。

24. and so on.

最后，我們來(lái)簡(jiǎn)單聊一聊FPGA的應(yīng)用范圍。FPAG的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，航天航空、汽車駕駛、醫(yī)療、廣播、測(cè)量測(cè)試、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)設(shè)備、武器裝備等等。從應(yīng)用場(chǎng)景角度分析，我們可以看到隨著谷歌的阿爾法狗打敗了人類圍棋冠軍后，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)從神壇走下來(lái)，越來(lái)越多的人開(kāi)始認(rèn)識(shí)到深度學(xué)習(xí)可能會(huì)改變未來(lái)的生活，成為未來(lái)科技發(fā)展的方向；而FPGA設(shè)計(jì)工具使其對(duì)深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域經(jīng)常使用的上層軟件兼容性更強(qiáng)，F(xiàn)PGA正是助力深度學(xué)習(xí)的一大技術(shù)。不同于CPU的是，F(xiàn)PGA和GPU內(nèi)都有大量的計(jì)算單元，因此它們的計(jì)算能力都很強(qiáng)。在進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算的時(shí)候，兩者的速度會(huì)比CPU快很多。但是GPU由于架構(gòu)固定硬件原生支持的指令固定了，而FPGA則是可編程的。
隨著國(guó)家綜合實(shí)力越來(lái)越強(qiáng)大，國(guó)民經(jīng)濟(jì)越來(lái)越好，F(xiàn)PGA從之前的運(yùn)用廣泛的軍工行業(yè)在慢慢延伸到民用行業(yè)，并且會(huì)越來(lái)越廣泛。

原文標(biāo)題：FPGA學(xué)習(xí)需要注意的知識(shí)點(diǎn)

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