使用HDL的好處 - 新手福音：概述學習FPGA的一些常見誤區(qū)

　　使用HDL的好處在于我們已經設計好了一個寄存器傳輸級的電路，那么用HDL描述以后轉化為文本的形式，剩下的向更低層次的轉換就可以讓EDA工具去做了，這就大大的降低了工作量。這就是可綜合的概念，也就是說在對這一抽象層次上硬件單元進行描述可以被EDA工具理解并轉化為底層的門級電路或其他結構的電路。在FPGA設計中，就是在將這以抽象層級的意見描述成HDL語言，就可以通過FPGA開發(fā)軟件轉化為問題1中所述的FPGA內部邏輯功能實現(xiàn)形式。HDL也可以描述更高的抽象層級如算法級或者是體系結構級，但目前受限于EDA軟件的發(fā)展，EDA軟件還無法理解這么高的抽象層次，所以HDL描述這樣抽象層級是無法被轉化為較低的抽象層級的，這也就是所謂的不可綜合。所以在閱讀或編寫 HDL語言，尤其是可綜合的HDL，不應該看到的是語言本身，而是要看到語言背后所對應的硬件電路結構。

　　如果看到的HDL始終是一條條的代碼，那么這種人永遠擺脫不了菜鳥的宿命。假如哪一天看到的代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊，那么恭喜脫離了菜鳥的級別，進入不那么菜的鳥級別。

　　3、FPGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外這一點恐怕也是很多學FPGA的菜鳥最難理解的地方。

　　FPGA是給誰用的？很多學校解釋為給學微電子專業(yè)或者集成電路設計專業(yè)的學生用的，其實這不過是很多學校受資金限制，賣不起專業(yè)的集成電路設計工具而用FPGA工具替代而已。其實FPGA是給設計電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個電子設備，如基站、機頂盒、視頻監(jiān)控設備等。當現(xiàn)有芯片無法滿足系統(tǒng)的需求時，就需要用FPGA來快速的定義一個能用的芯片。

　　前面說了，F(xiàn)PGA里面無非就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進行設計時無非就是考慮如何將這些以后資源組合起來實現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設計工程師那樣一直要關注到最后芯片是不是能夠被制造出來。本質上和利用現(xiàn)有芯片組合成不同的電子系統(tǒng)沒有區(qū)別，只是需要關注更底層的資源而已。要想把FPGA用起來還是簡單的，因為無非就是那些資源，在理解了前面兩點再搞個實驗板，跑跑實驗，做點簡單的東西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂點FPGA知識就遠遠不夠了。因為最終要讓FPGA里面的資源如何組合，實現(xiàn)何種功能才能滿足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識。

　　目前FPGA的應用主要是三個方向：

　　第一個方向，也是傳統(tǒng)方向主要用于通信設備的高速接口電路設計，這一方向主要是用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換。這類 應用通常要求采用具備高速收發(fā)接口的FPGA，同時要求設計者懂得高速接口電路設計和高速數(shù)字電路板級設計，具備EMCEMI設計知識，以及較好的模擬電路基礎，需要解決在高速收發(fā)過程中產生的信號完整性問題。FPGA最初以及到目前最廣的應用就是在通信領域，一方面通信領域需要高速的通信協(xié)議處理方式， 另一方面通信協(xié)議隨時在修改，非常不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為首選。到目前為止FPGA的一半以上的應用也是在通信行業(yè)。

　　第二個方向，可以稱為數(shù)字信號處理方向或者數(shù)學計算方向，因為很大程度上這一方向已經大大超出了信號處理的范疇。例如早就在2006年就聽說老美將 FPGA用于金融數(shù)據(jù)分析，后來又見到有將FPGA用于醫(yī)學數(shù)據(jù)分析的案例。在這一方向要求FPGA設計者有一定的數(shù)學功底，能夠理解并改進較為復雜的數(shù)學算法，并利用FPGA內部的各種資源使之能夠變?yōu)閷嶋H的運算電路。目前真正投入實用的還是在通信領域的無線信號處理、信道編解碼以及圖像信號處理等領域，其它領域的研究正在開展中，之所以沒有大量實用的主要原因還是因為學金融的、學醫(yī)學的不了解這玩意。不過最近發(fā)現(xiàn)歐美有很多電子工程、計算機類的博士轉入到金融行業(yè)，開展金融信號處理，相信隨著轉入的人增加，F(xiàn)PGA在其它領域的數(shù)學計算功能會更好的發(fā)揮出來，而我也有意做一些這些方面的研究。不過國 內學金融的、學醫(yī)的恐怕連數(shù)學都很少用到，就不用說用FPGA來幫助他們完成數(shù)學運算了，這個問題只有再議了。

　　第三個方向就是所謂的SOPC方向，其實 嚴格意義上來說這個已經在FPGA設計的范疇之內，只不過是利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設計者主要是在上面進行嵌入式軟件開發(fā)而已。設計對于FPGA本身的設計時相當少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實際上需要用到第二個方向的知識，而如果需要設計專用的接口電路則需要用到第一個方向的知識。就目前SOPC方向發(fā)展其實遠不如第一和第二個方向，其主要原因是因為SOPC以FPGA為主，或者是在 FPGA內部的資源實現(xiàn)一個“軟”的處理器，或者是在FPGA內部嵌入一個處理器核。但大多數(shù)的嵌入式設計卻是以軟件為核心，以現(xiàn)有的硬件發(fā)展情況來看， 多數(shù)情況下的接口都已經標準化，并不需要那么大的FPGA邏輯資源去設計太過復雜的接口。而且就目前看來SOPC相關的開發(fā)工具還非常的不完善，以 ARM 為代表的各類嵌入式處理器開發(fā)工具卻早已深入人心，大多數(shù)以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數(shù)標準的接口，大量成系列的單片機嵌入式處理器提供了相關行業(yè)所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬件場合確實很少。通常是在一些特種行業(yè)才會在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入 到FPGA里面，相信目前的情況不會有太大改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機還在嵌入式領域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來體現(xiàn)價值的。

　　我曾經看好的是cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史載SOC芯片里面去嵌入那么一小塊 FPGA，那這 樣其實可以滿足嵌入式的那些微小的硬件接口差異，比如某個運用需要4個USB，而通常的處理器不會提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來提供多的USB 接口。而另一種運用需要6個UART，也可以用同樣的方法完成。對于嵌入式設計公司來說他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設計中各種微小的差異變化 要的差異化仍然是通過軟件來完成。但目前cypress過于封閉，如果其采用ARM作為處理器內核，借助其完整的工具鏈。同時開放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設計，其實是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過，Psoc的思想也不知道何時能夠發(fā)光。

　　4、數(shù)字邏輯知識是根本。

　　無論是FPGA的哪個方向，都離不開數(shù)字邏輯知識的支撐。FPGA說白了是一種實現(xiàn)數(shù)字邏輯的方式而已。如果連最基本的數(shù)字邏輯的知識都有問題，學習 FPGA的愿望只是空中樓閣而已。而這，恰恰是很多菜鳥最不愿意去面對的問題。數(shù)字邏輯是任何電子電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎知識，也是必須要學好的一門課。很多人無非是學習了，考個試，完了。如果不能將數(shù)字邏輯知識爛熟于心，養(yǎng)成良好的設計習慣，學FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終是一場空的。

　　以上四條只是我目前總結菜鳥們在學習FPGA時所最容易跑偏的地方，F(xiàn)PGA的學習其實就像學習圍棋一樣，學會如何在棋盤上落子很容易，成為一位高手卻是難上 加難。要真成為李昌鎬那樣的神一般的選手，除了靠刻苦專研，恐怕還確實得要一點天賦。