薦讀：如何學(xué)習(xí)FPGA

大家好。又到了每日學(xué)習(xí)的時(shí)候了，近期很多人問我該如何去學(xué)FPGA，那么今天咱們就來聊一聊。

一、入門首先要掌握HDL（HDL=verilog+VHDL）。

第一句話是：還沒學(xué)數(shù)電的先學(xué)數(shù)電。然后你可以選擇verilog或者VHDL，有C語言基礎(chǔ)的，建議選擇VHDL。因?yàn)関erilog太像C了，很容易混淆，最后你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你花了大量時(shí)間去區(qū)分這兩種語言，而不是在學(xué)習(xí)如何使用它。當(dāng)然，你思維能轉(zhuǎn)得過來，也可以選verilog，畢竟在國內(nèi)verilog用得比較多。

接下來，首先找本實(shí)例抄代碼。抄代碼的意義在于熟悉語法規(guī)則和編譯器（這里的編譯器是硅編譯器又叫綜合器，常用的編譯器有：Quartus、ISE、Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Lattice的Diamond、Microsemi/Actel的Libero、Synplify pro），然后再模仿著寫，最后不看書也能寫出來。編譯完代碼，就打開RTL圖，看一下綜合出來是什么樣的電路。

HDL是硬件描述語言，突出硬件這一特點(diǎn)，所以要用數(shù)電的思維去思考HDL，而不是用C語言或者其它高級(jí)語言，如果不能理解這句話的，可以看《什么是硬件以及什么是軟件》。在這一階段，推薦的教材是《Verilog傳奇》、《Verilog HDL高級(jí)數(shù)字設(shè)計(jì)》或者是《用于邏輯綜合的VHDL》。不看書也能寫出個(gè)三段式狀態(tài)機(jī)就可以進(jìn)入下一階段了。

此外，你手上必須準(zhǔn)備Verilog或者VHDL的官方文檔，《verilog_IEEE官方標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)-2005_IEEE_P1364》、《IEEE Standard VHDL Language_2008》，以便遇到一些語法問題的時(shí)候能查一下。

二、獨(dú)立完成中小規(guī)模的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，你可以設(shè)計(jì)一些數(shù)字電路了，像交通燈、電子琴、DDS等等，推薦的教材是夏老《Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程》（第三版）。在這一階段，你要做到的是：給你一個(gè)指標(biāo)要求或者時(shí)序圖，你能用HDL設(shè)計(jì)電路去實(shí)現(xiàn)它。這里你需要一塊開發(fā)板，可以選Altera的cyclone IV系列，或者Xilinx的Spantan 6。還沒掌握HDL之前千萬不要買開發(fā)板，因?yàn)槟阗I回來也沒用。這里你沒必要每次編譯通過就下載代碼，咱們用modelsim仿真（此外還有QuestaSim、NC verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具），如果仿真都不能通過那就不用下載了，肯定不行的。在這里先掌握簡單的testbench就可以了。推薦的教材是《WRITING TESTBENCHES Functional Verification of HDL Models》。

三、掌握設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則。

你可能發(fā)現(xiàn)你綜合出來的電路盡管沒錯(cuò)，但有很多警告。這個(gè)時(shí)候，你得學(xué)會(huì)同步設(shè)計(jì)原則、優(yōu)化電路，是速度優(yōu)先還是面積優(yōu)先，時(shí)鐘樹應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì)，怎樣同步兩個(gè)異頻時(shí)鐘等等。推薦的教材是《FPGA權(quán)威指南》、《IP核芯志-數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)思想》、《Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)》第二版的基礎(chǔ)篇和高級(jí)篇兩本。學(xué)會(huì)加快編譯速度（增量式編譯、LogicLock），靜態(tài)時(shí)序分析（timequest），嵌入式邏輯分析儀（signaltap）就算是通關(guān)了。如果有不懂的地方可以暫時(shí)跳過，因?yàn)檫@部分還需要足量的實(shí)踐，才能有較深刻的理解。

四、學(xué)會(huì)提高開發(fā)效率。

因?yàn)镼uartus和ISE的編輯器功能太弱，影響了開發(fā)效率。所以建議使用Sublime text編輯器中代碼片段的功能，以減少重復(fù)性勞動(dòng)。Modelsim也是常用的仿真工具，學(xué)會(huì)TCL/TK以編寫適合自己的DO文件，使得仿真變得自動(dòng)化，推薦的教材是《TCL/TK入門經(jīng)典》。你可能會(huì)手動(dòng)備份代碼，但是專業(yè)人士都是用版本控制器的，所以，為了提高工作效率，必須掌握GIT。文件比較器Beyond Compare也是個(gè)比較常用的工具。此外，你也可以使用System Verilog來替代testbench，這樣效率會(huì)更高一些。如果你是做IC驗(yàn)證的，就必須掌握System Verilog和驗(yàn)證方法學(xué)（UVM）。推薦的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012語法手冊(cè)》。

掌握了TCL/TK之后，可以學(xué)習(xí)虛擬Jtag（ISE也有類似的工具）制作屬于自己的調(diào)試工具，此外，有時(shí)間的話，最好再學(xué)個(gè)python。腳本，意味著一勞永逸。

五、增強(qiáng)理論基礎(chǔ)。

這個(gè)時(shí)候，你已經(jīng)會(huì)使用FPGA了，但是還有很多事情做不了（比如，F(xiàn)IR濾波器、PID算法、OFDM等），因?yàn)槔碚摏]學(xué)好。我大概地分幾個(gè)方向供大家參考，后面跟的是要掌握的理論課。

1、信號(hào)處理——信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、盲信號(hào)處理、自適應(yīng)濾波器原理、雷達(dá)信號(hào)處理

2、接口應(yīng)用——如：UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太網(wǎng)接口)、SATA、光纖、DisplayPort

3、無線通信——信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理、通信原理、移動(dòng)通信基礎(chǔ)、隨機(jī)過程、信息論與編碼

4、CPU設(shè)計(jì)——計(jì)算機(jī)組成原理、單片機(jī)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、編譯原理

5、儀器儀表——模擬電子技術(shù)、高頻電子線路、電子測量技術(shù)、智能儀器原理及應(yīng)用

6、控制系統(tǒng)——自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應(yīng)用

7、壓縮、編碼、加密——數(shù)論、抽象代數(shù)、現(xiàn)代編碼技術(shù)、信息論與編碼、數(shù)據(jù)壓縮導(dǎo)論、應(yīng)用密碼學(xué)、音頻信息處理技術(shù)、數(shù)字視頻編碼技術(shù)原理

現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)，原來FPGA會(huì)涉及到那么多知識(shí)，你可以選一個(gè)感興趣的方向，但是工作中很有可能用到其中幾個(gè)方向的知識(shí)，所以理論還是學(xué)得越多越好。如果你要更上一層，數(shù)學(xué)和英語是不可避免的。

六、學(xué)會(huì)使用MATLAB仿真。

設(shè)計(jì)FPGA算法的時(shí)候，多多少少都會(huì)用到MATLAB，比如CRC的系數(shù)矩陣、數(shù)字濾波器系數(shù)、各種表格和文本處理等。此外，MATLAB還能用于調(diào)試HDL（用MATLAB的計(jì)算結(jié)果跟用HDL算出來的一步步對(duì)照，可以知道哪里出問題）。推薦的教材是《MATLAB寶典》和杜勇的《數(shù)字濾波器的MATLAB與FPGA實(shí)現(xiàn)》。

七、足量的實(shí)踐。

這個(gè)時(shí)候你至少讀過幾遍芯片手冊(cè)（官網(wǎng)有），然后可以針對(duì)自己的方向，做一定量的實(shí)踐了（期間要保持良好的代碼風(fēng)格，增加元件例化語句的可讀性，繪制流程圖/時(shí)序圖，撰寫文檔的習(xí)慣）。比如：通信類的可以做調(diào)制解調(diào)算法，儀表類的可以做總線分析儀等等。不過這些算法，在書上只是給了個(gè)公式、框圖而已，跟實(shí)際的差距很大，你甚至?xí)X得書上的東西都很膚淺。那么，你可以在知網(wǎng)、百度文庫、EETOP論壇、opencores、ChinaAET、Q群共享、博客上面找些相關(guān)資料（校外的朋友可以在淘寶買個(gè)知網(wǎng)賬號(hào)）。其實(shí)，當(dāng)你到了這個(gè)階段，你已經(jīng)達(dá)到了職業(yè)級(jí)水平，有空就多了解一些前沿技術(shù)，這將有助于你的職業(yè)規(guī)劃。

在工作當(dāng)中，或許你需要關(guān)注很多協(xié)議和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議可以在EETOP上面找到，而標(biāo)準(zhǔn)（如：國家標(biāo)準(zhǔn)GB和GB/T，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO）就推薦《標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)》和《標(biāo)準(zhǔn)分享網(wǎng)》。

八、圖像處理。（這部分只寫給想學(xué)圖像處理的朋友，也是由淺入深的路線）

1、Photoshop。花一、兩周的時(shí)間學(xué)習(xí)PS，對(duì)圖像處理有個(gè)大概的了解，知道各種圖片格式、直方圖、色相、通道、濾鏡、拼接等基本概念，并能使用它。這部分是0基礎(chǔ)，目的讓大家對(duì)圖像處理有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，而不是一上來就各種各樣的公式推導(dǎo)。推薦《Photoshop CS6完全自學(xué)教程》。

2、基于MATLAB或OpenCV的圖像處理。有C/C++基礎(chǔ)的可以學(xué)習(xí)OpenCV，否則的話，建議學(xué)MATLAB。這個(gè)階段下，只要學(xué)會(huì)簡單的調(diào)用函數(shù)即可，暫時(shí)不用深究實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。推薦《數(shù)字圖像處理matlab版》、《學(xué)習(xí)OpenCV》。

3、圖像處理的基礎(chǔ)理論。這部分的理論是需要高數(shù)、復(fù)變、線性代數(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理等基礎(chǔ)，基礎(chǔ)不好的話，建議先補(bǔ)補(bǔ)基礎(chǔ)再來?？床欢睦碚撘部梢詴簳r(shí)先放下，或許學(xué)到后面就自然而然地開竅了。推薦《數(shù)字圖像處理》。

4、基于FPGA的圖像處理。把前面學(xué)到的理論運(yùn)用到FPGA上面，如果這時(shí)你有前面第七個(gè)階段的水平，你將輕松地獨(dú)立完成圖像算法設(shè)計(jì)（圖像處理是離不開接口的，上面第五個(gè)階段有講）。推薦《基于FPGA的嵌入式圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《基于FPGA的數(shù)字圖像處理原理及應(yīng)用》。

5、進(jìn)一步鉆研數(shù)學(xué)。要在算法上更上一層，必然需要更多的數(shù)學(xué)，所以這里建議學(xué)習(xí)實(shí)分析、泛涵分析、小波分析等。

下面這兩個(gè)階段是給感興趣的朋友介紹的。

九、數(shù)電的盡頭是模電。

現(xiàn)在FPGA內(nèi)部的事情是難不到你的，但是信號(hào)出了FPGA，你就沒法控制了。這個(gè)時(shí)候必須學(xué)好模電。比如：電路分析、模擬電子技術(shù)、高頻電子線路、PCB設(shè)計(jì)、EMC、SI、PI等等，能設(shè)計(jì)出一塊帶兩片DDR3的FPGA開發(fā)板，就算通關(guān)了。具體的學(xué)習(xí)路線可以參考本博客的《如何學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)——理論篇》和《如何學(xué)習(xí)硬件設(shè)計(jì)——實(shí)踐篇》。

十、學(xué)無止境。

能到這個(gè)境界，說明你已經(jīng)很厲害了，但是還有很多東西要學(xué)的，因?yàn)镕PGA常常要跟CPU交互，也就是說你得經(jīng)常跟軟件工程師交流，所以也得懂點(diǎn)軟件方面的知識(shí)。比如ARM（Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC會(huì)用到ARM的硬核，請(qǐng)參考本博客的《如何學(xué)習(xí)嵌入式軟件》）、DSP、Linux、安卓、上位機(jī)（QT、C#、JAVA）都可以學(xué)一下，反正學(xué)無止境的。

十一、其它問題。

a、為什么不推薦學(xué)習(xí)NIOS II和MicroBlaze等軟核？


1、性價(jià)比不高，一般的軟核性能大概跟Cortex M3或M4差不多，用FPGA那么貴的東西去做一個(gè)性能一般的CPU，在工程上是非常不劃算的。不如另外加一塊M3。

2、加上軟核，可能會(huì)影響到其它的邏輯的功能。這是在資源并不十分充足的情況下，再加上軟核，導(dǎo)致布局布線變得相當(dāng)困難。

3、軟核不開源，出現(xiàn)Bug的時(shí)候，不容易調(diào)試。

4、工程上很少使用，極有可能派不上用場。

b、為什么不推薦0基礎(chǔ)學(xué)習(xí)ZYNQ或SOC？

1、容易讓人有傍同心理。傍同心理是指一個(gè)人通過渲染與自己有親近關(guān)系的人的杰出，來掩蓋和彌補(bǔ)自己在這方面的不足，從而獲得心理上的平衡。自己在學(xué)習(xí)很厲害的東西，然后也感覺自己很厲害，但這只是錯(cuò)覺而已。

2、入門應(yīng)該學(xué)習(xí)盡量簡單的東西，要么專心學(xué)習(xí)ARM，要么專心學(xué)習(xí)FPGA。這樣更容易有成就感，增強(qiáng)信心。

3、ZYNQ和SOC的應(yīng)用領(lǐng)域并不廣，還有很多人沒聽過這種東西，導(dǎo)致求職的不利。

4、開發(fā)工具編譯時(shí)間長，浪費(fèi)較多時(shí)間。

5、絕大多數(shù)工作，都只是負(fù)責(zé)一方面，也就是說另一方面，很有可能派不上用場。

c、為什么已經(jīng)存在那么多IP核，仍然需要寫HDL？

1、問這種問題的，一般是學(xué)生，他們沒有做過產(chǎn)品，沒有遇到過工程上的問題。

2、IP核并非萬能，不能滿足所有需求。

3、盡量少用閉源IP核，一旦出問題，這種黑匣子很可能讓產(chǎn)品難產(chǎn)。

4、深入理解底一層次，可以更好地使用高一層次。該法則可以適用于所有編程語言。

今天就聊到這里，各位，加油。