盘点FPGA难学点，快看看你中招了吗？

为什么大量的人会觉得FPGA难学？

一、不熟悉FPGA的内部结构，不了解可编程逻辑器件的基本原理

FPGA为什么是可以编程的？

FPGA为什么是可以编程的？

恐怕很多菜鸟不知道，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。如果这些菜鸟们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？

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，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运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的读，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。

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。

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？这不又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。

二、错误理解HDL语言，怎么看都看不出硬件结构。

HDL语言的英语全称是：Hardware Deion Language，注意这个单词Deion，而不是Design。老外为什么要用Deion这个词而不是Design呢？因为HDL确实不是用用来设计硬件的，而仅仅是用来描述硬件的。描述这个词精确地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已，只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。

语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作部就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢？其实这就是很多菜鸟没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，最初的设计也许就是一个概念，设计出这个概念也是就是一个点子而已，离最终拍成广告还差得很远。

硬件设计也是有不同的抽象层次，每一个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。使用HDL的好处在于我们已经设计好了一个寄存器传输级的电路，那么用HDL描述以后转化为文本的形式，剩下的向更低层次的转换就可以让EDA工具去做了，这就大大的降低了工作量。这就是可综合的概念，也就是说在对这一抽象层次上硬件单元进行描述可以被EDA工具理解并转化为底层的门级电路或其他结构的电路。在FPGA设计中，就是在将这以抽象层级的意见描述成HDL语言，就可以通过FPGA开发软件转化为问题1中所述的FPGA内部逻辑功能实现形式。

HDL也可以描述更高的抽象层级如算法级或者是体系结构级，但目前受限于EDA软件的发展，EDA软件还无法理解这么高的抽象层次，所以HDL描述这样抽象层级是无法被转化为较低的抽象层级的，这也就是所谓的不可综合。所以在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。如果看到的HDL始终是一条条的代码，那么这种人永远摆脱不了菜鸟的宿命。

假如哪一天看到的代码不再是一行行的代码而是一块一块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

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的菜鸟最难理解的地方，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的菜鸟最难理解的地方

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，卖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，如基站、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里面无法就是一些“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知识就远远不够了。

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。

目前FPGA的应用主要是三个方向：

第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。

这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMCEMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。

第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。

第三个方向就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。

设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。

而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。

通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。

曾经看好的是 cypress的Psoc这一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史载SOC芯片里面去嵌入那么一小块FPGA，那这样其实可以满足嵌入式的那些微小的硬件接口差异，比如某个运用需要4个USB，而通常的处理器不会提供那么多，就可以用这么一块FPGA来提供多的USB接口。而另一种运用需要6个 UART，也可以用同样的方法完成。

对于嵌入式设计公司来说他们只需要备货一种芯片，就可以满足这些设计中各种微小的差异变化。其主要的差异化仍然是通过软件来完成。但目前cypress过于封闭，如果其采用ARM作为处理器内核，借助其完整的工具链。同时开放IP合作，让大量的第三方为它提供IP设计，其实是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好过，Psoc的思想也不知道何时能够发光。

划重点内容：

1、入门首先要掌握HDL（HDL=verilog+VHDL）

第一句话是：还没学数电的先学数电。然后你可以选择verilog或者VHDL，有C语言基础的，建议选择VHDL。因为verilog太像C了，很容易混淆，最后你会发现，你花了大量时间去区分这两种语言，而不是在学习如何使用它。当然，你思维能转得过来，也可以选verilog，毕竟在国内verilog用得比较多。

接下来，首先找本实例抄代码。抄代码的意义在于熟悉语法规则和编译器（这里的编译器是硅编译器又叫综合器，常用的编译器有：Quartus、ISE、Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Lattice的Diamond、Microsemi/Actel的Libero、Synplify pro），然后再模仿着写，最后不看书也能写出来。编译完代码，就打开RTL图，看一下综合出来是什么样的电路。

2、独立完成中小规模的数字电路设计

现在，你可以设计一些数字电路了，像交通灯、电子琴、DDS等等，推荐的教材是夏老《Verilog 数字系统设计教程》（第三版）。在这一阶段，你要做到的是：给你一个指标要求或者时序图，你能用HDL设计电路去实现它。

3、掌握设计方法和设计原则

你可能发现你综合出来的电路尽管没错，但有很多警告。这个时候，你得学会同步设计原则、优化电路，是速度优先还是面积优先，时钟树应该怎样设计，怎样同步两个异频时钟等等。

4、学会提高开发效率

因为Quartus和ISE的编辑器功能太弱，影响了开发效率。所以建议使用Sublime text编辑器中代码片段的功能，以减少重复性劳动。Modelsim也是常用的仿真工具，学会TCL/TK以编写适合自己的DO文件，使得仿真变得自动化，推荐的教材是《TCL/TK入门经典》。

掌握了TCL/TK之后，可以学习虚拟Jtag（ISE也有类似的工具）制作属于自己的调试工具，此外，有时间的话，最好再学个python。脚本，意味着一劳永逸。

5、增强理论基础

这个时候，你已经会使用FPGA了，但是还有很多事情做不了（比如，FIR滤波器、PID算法、OFDM等），因为理论没学好。我大概地分几个方向供大家参考，后面跟的是要掌握的理论课。

现在你发现，原来FPGA会涉及到那么多知识，你可以选一个感兴趣的方向，但是工作中很有可能用到其中几个方向的知识，所以理论还是学得越多越好。如果你要更上一层，数学和英语是不可避免的。

6、学会使用MATLAB仿真

设计FPGA算法的时候，多多少少都会用到MATLAB，比如CRC的系数矩阵、数字滤波器系数、各种表格和文本处理等。此外，MATLAB还能用于调试HDL（用MATLAB的计算结果跟用HDL算出来的一步步对照，可以知道哪里出问题）。推荐的教材是《MATLAB宝典》和杜勇的《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》。

7、图像处理（这部分只写给想学图像处理的朋友，也是由浅入深的路线）

Photoshop。花一、两周的时间学习PS，对图像处理有个大概的了解，知道各种图片格式、直方图、色相、通道、滤镜、拼接等基本概念，并能使用它。这部分是0基础，目的让大家对图像处理有个感性的认识，而不是一上来就各种各样的公式推导。推荐《Photoshop CS6完全自学教程》。

基于MATLAB或OpenCV的图像处理。有C/C++基础的可以学习OpenCV，否则的话，建议学MATLAB。这个阶段下，只要学会简单的调用函数即可，暂时不用深究实现的细节。推荐《数字图像处理matlab版》、《学习OpenCV》。

图像处理的基础理论。这部分的理论是需要高数、复变、线性代数、信号与系统、数字信号处理等基础，基础不好的话，建议先补补基础再来。看不懂的理论也可以暂时先放下，或许学到后面就自然而然地开窍了。推荐《数字图像处理》。

基于FPGA的图像处理。把前面学到的理论运用到FPGA上面，如果这时你有前面第七个阶段的水平，你将轻松地独立完成图像算法设计（图像处理是离不开接口的，上面第五个阶段有讲）。推荐《基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计》、《基于FPGA的数字图像处理原理及应用》。

进一步钻研数学。要在算法上更上一层，必然需要更多的数学，所以这里建议学习实分析、泛涵分析、小波分析等

今天，为了满足大家的需求，电子发烧友学院联合拥有8年FPGA开发经验的梦翼师兄，为大家免费提供FPGA直播课程，带大家深入学习FPGA的同时，通过直播希望大家对老师也能进一步接触！还可进群与各大行业内工程师交流互动哦~

接下来为大家介绍下本次免费直播内容大纲：

直播主题

梦翼师兄带你学习FPGA逻辑设计之课程介绍及未来规划

直播讲师

梦翼师兄

1、基于altera以及Xilinx FPGA开发平台，设计了大量无线传输、视频图像处理、高速数据采集、智能电源以及运动控制的相关软硬件。

2、编写了《炼狱传奇》以及《你好，FPGA》两本FPGA实战教学书籍。

3、累计培养学员达一万人次。

4、在线上教学领域，首次开设学员全外设教学课程，将各种外设的使用方式以视频手把手教学的方式彻底呈现，所有内容实战化。用以弥补国内FPGA学习资源紧缺的实际情况。

直播主题

梦翼师兄现场说明其视频课程设置的原则、方式以及以后的课程规划。帮助大家进一步了解FPGA，了解该从哪里入手FPGA学习，为大家指明道路。

直播大纲

1、 到底什么是FPGA。

2、 哪里会用到FPGA。

3、 为什么说，很多地方FPGA不可替代。

4、 如何学习FPGA。

5、 现在FPGA工程师待遇（平均情况）。

6、 梦翼师兄课程介绍以及未来规划。

7、 梦翼师兄板卡资源介绍以及设置这些资源的目的

获得哪些知识

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