如何学习FPGA

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本人也入门不久，希望我不会误人子弟哈。

1.不必着急买开发板。

2.在学习FPGA之前，先去学习一下数字电路，不要求精通，最起码要有基本的电平标准、单端/差分、时钟、触发器、门电路概念。

3.了解FPGA。
【3.1】FPGA的内部以查找表为主，辅助以PLL、高速触发器、静态存储器等。
数字电路在一定的输入下，会有确定的输出；当所有的输入输出对应关系都被计算出来，并且通过查找这种对应关系，而在一定输入下产生对应的输出，基本可以认为我们在一定性能下近似等价地实现了该数字电路。 查找表就是这样的电路，当一个查找表单元不够实现目标数字电路时，可以使用多个查找表联合，以及使用FPGA上的其他资源。
查找表其实就是有地址线的存储器，一般是SRAM或者NOR FLASH，一般是每个查找表单元4到6输入（地址线），一个输出。
FPGA配置文件包括各个查找表的内容、内部连线等等。
SRAM的FPGA在掉电后配置消失，需要在每次上电时从外部的SPI FLASH等加载配置文件；
NOR FLASH的FPGA，在掉电后不会丢失配置数据，上电后很迅速的进入工作状态。

主要的FPGA厂家有xilinx、altera（现属于intel）、actel（现属于microsim）、lattice。这四家公司全是美国的，国内也有几家，但现在还远远比不上国外。前两家的销量最大，xilinx目前的主流低端产品是spartan6，altera的主流低端产品是cyclone IV。spartan6和cyclone IV都是SRAM架构的FPGA，altera的max 10是NOR FLASH架构的FPGA（也被altera定义为CPLD）。

【3.2】CPLD主要以宏单元和乘积项为基本结构，也就是通过改变逻辑门和触发器等的连线的方式（简化理解）实现数字电路，容量一般做不大。一般都是使用芯片内EEPROM或NOR FLASH保存配置信息。

【3.3】相比之下，FPGA更适合时序逻辑，CPLD更适合组合逻辑。CPLD的信号延时较为固定、可预测，而FPGA的延时抖动较大。FPGA的容量较大、价格较高。

【4】学习一种硬件描述语言（HDL）的基本语法。
HDL是对数字电路的描述，通过编译器synthesize(综合)成网表（各种基本寄存器和门电路等之间的连接等），再implement(translate----map----place&route),最后生成对应器件的配置文件。
常见的HDL是verilog和VHDL，我个人用verilog。

到网上找一篇语法教程，通读2、3遍即可。

对于verilog初学者，有几点常见注意点：
【4.1】每个寄存器都只能在一个always里被赋值。
【4.2】时序逻辑，例如

module demo_add
(
　　input　　　　　　　　　　clk,
　　input　　　      [7:0]　　a,
　　input　　        [7:0]　　b,
　　output　　reg　　[7:0]　　c
);
　　always @(posedge clk)
　　begin
  　　  c <= a + b;
　　end
endmodule

中，只使用<=（也叫非阻塞赋值）。

实际上，上面这个例子里包含了一个组合逻辑a+b。

【4.3】组合逻辑，例如

module demo_add
(
　　input　　　　　　[7:0]　　a,
　　input　　　　　　[7:0]　　b,
　　output　　reg　　[7:0]　　c
);
　　always @(*)
　　begin
  　　  c = a + b;
　　end
endmodule

只使用=（也叫阻塞赋值）。组合逻辑中，虽然定义了输出为reg，也必须定义成reg，但会在综合的时候被优化成wire。

【4.4】always里的语句实际上都是“并行执行”的，除了testbench。
其实说并行执行也不全对，GPU里几千个核同时运算，也叫并行执行。FPGA里所有的查找表都是只管自己的输入的，把testbench外的verilog看成数字电路的描述即可（本来就是HDL）。

 

【5】FPGA型号基本了解。

我推荐新手先从spartan6或cyclone IV开始，这两个系列都有QFP144封装，容易焊接、成本低(便宜的只有二十元)、结构相对高端型号较为简单。
查阅官网，简单了解器件的基本特性，比如容量、封装、IO电压、速度等级、工作温度等等。
网上也有对各厂家和系列的对比文章，可以看一下。
以便稍后选择相应的开发环境和器件。

【6】通过功能仿真进一步学习HDL。
仿真的工具可以是modelsim等，也可以是FPGA厂家的开发环境中自带的。我推荐先用后者。
　　xilinx的低端开发工具是ISE 14.7（最高版本，不再更新），高端开发工具是vivado。
　　altera的开发工具是quartus II。
其他厂家的产品我个人没有使用过。
X和A的开发环境都有web版，高端功能和器件受限，免费。网上有完整版的破解（就是X和A的代理发出来的……）。

我是先用ISE 14.7自带的ISIM仿真的，ISIM的功能比modelsim弱，但对新手和小项目足够了。ISIM包含在ISE中，可以更早、更快的熟悉开发环境。另外，对新手而言，modelsim有点复杂。

使用ISE、quartus等仿真，需要选择具体FPGA型号，选择较小的型号即可，比如XC6SLX9-2TQG144C和EP4CE6E22C8n，因为这阶段的代码量都很小，而且一般跟具体硬件无关。

有很多的实例书籍和教程，对照着实现并仿真。

仿真要写testbench，就是向你写的verilog模块给测试信号的代码。verilog中有一些语句是只能用在仿真中的！比如$display、event。for可综合但不推荐在initial / generate 或 testbench 外使用。

暂时忘掉C/C++等语言。大多数人在学习HDL之前就已经学习了C/C++等等运行在CPU上的编程语言，然后在学习HDL的时候会不自觉的将C/C++等语言的语法、习惯、理念带入到HDL中，而且有时候根深蒂固。请记住：HDL是对硬件的描述。

在编写HDL时，要想着这段语句会被综合成什么样的等效逻辑电路，每次编写完后都要看看综合出的RTL图和预期的有多少差距，查看综合报告给出的最高运行速度是否满足需求，然后再仿真看下时序是否符合预期，有差别当然要改喽。

在仿真中，会出现很多warning和error，一定要通过搜索引擎弄明白warning和error出现的原因和解决办法，尝试将所有warning都去掉。

尝试同一个功能的不同实现方式----要更高的运行速度，还是更少的面积（逻辑占用量）？

【7】HDL进阶。
比如verilog 2001。
比如两段式、三段式状态机的写法。

【8】FPGA进阶了解

了解更多的FPGA知识，开拓下知识面，看到琳琅满目的开发板也能知道如何选择。

ip core，具体芯片和开发环境下都有哪些IP core，如何使用。

比如 什么是软核、固核、硬核。比如所有BGA封装的spartan6都带DDR3硬核（片子上的实际电路），-3等级的可以跑到DDR3-800；而cyclone IV系列都只有DDR3软核。网上发布的IP核，软核（源代码）较多，固核（网表）较少。硬核是包含在芯片里面的模块。

比如 X和A的各种原语，比如xilinx的serdes原语可以实现1gbit/s的串并转换。

比如 spartan6的LVDS输出只能在BANK0和BANK2（官方手册有写）。

比如FPGA的特殊管脚，GCLK、VREF、差分对、VCCIO。使用各种电平标准时的VCCIO和VREF需求（官网有文档）。

比如主动配置和被动配置。

spartan6带T的和CYCLONE IV的GX型号都可以用来做什么，PCIE、SATA等等。

如何通过JTAG下载配置文件。

xilinx的chipscope、altera的signaltap。

【9】买开发板或自己打板
对于新手，买便宜的甚至是二手的开发板就行了，一般100-300元就够了。可以买核心板+外设子板，也可以是一整块板。
买开发板的好处，一是电路设计出错的可能很小，二是附带的教程。
不过如果你有足够的阅读量和画板能力的话，我推荐自己画板。QFP144封装（x和a都有）的FPGA价格还是挺便宜的，低速应用只要2层板就能搞定，比买同样配置的开发板还要省钱，而且也容易焊接。

根据开发板的教程学习实践，或者给自己定个小的项目做做。

【10】更多进阶

比如  时序仿真 （后仿真）。

比如PCIE、DDR3内存。

如何开发自己的ip core。

比如软核CPU。

比如ZYNQ系列、cyclone V soc系列。

【11】学习TCL脚本

FPGA的编译和仿真中，一般都会使用预定义的tcl脚本来完成任务，学习TCL脚本可以在一定程度上提高工作效率。

【12】相关技能和行业知识

比如PC上的软件、python之类的脚本语言、matlab、Linux、单片机、高速PCB的设计、各种仪器仪表和焊接工具的使用，看你的需求和兴趣。

实际的FPGA应用都是在具体行业具体的项目里的，比如数字信号处理、图像处理等等，初学者可以给自己定一个方向，然后多多学习相关技能。