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        《電子技術應用》
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        FPGA教學——如何學習FPGA

        2022-08-11
        作者:FPGA之旅
        來源:電子技術應用專欄作家 FPGA之旅
        關鍵詞: FPGA

          一、入門首先要掌握HDL(verilog+VHDL)

          第一句話是:還沒學數電的先學數電。然后你可以選擇verilog或者VHDL,有C語言基礎的,建議選擇VHDL。因為verilog太像C了,很容易混淆,最后你會發現,你花了大量時間去區分這兩種語言,而不是在學習如何使用它。當然,你思維能轉得過來,也可以選verilog,畢竟在國內verilog用得比較多。

          接下來,首先找本實例抄代碼。抄代碼的意義在于熟悉語法規則和編譯器(又叫綜合器),常用的集成開發環境有:Intel的Quartus、Xilinx的ISE和Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、Linux下的iverilog、Lattice的Diamond、Microchip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,所以要用數電的思維去思考HDL,而不是用C語言或者其它高級語言,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 HDL高級數字設計》或者是《用于邏輯綜合的VHDL》。不看書也能寫出個三段式狀態機就可以進入下一階段了。

          此外,你手上必須準備Verilog或者VHDL的官方文檔,《verilog_IEEE官方標準手冊-2005_IEEE_P1364》、《IEEE Standard VHDL Language_2008》,以便遇到一些語法問題的時候能查一下。

          二、獨立完成中小規模的數字電路設計

          現在,你可以設計一些數字電路了,像交通燈、電子琴、DDS等等,推薦的教材是《Verilog HDL應用程序設計實例精講》。在這一階段,你要做到的是:給你一個指標要求或者時序圖,你能用HDL設計電路去實現它。這里你需要一塊開發板,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板,因為你買回來也沒用。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、掌握設計方法和設計原則

          你可能發現你綜合出來的電路盡管沒錯,但有很多警告。這個時候,你得學會同步設計原則、優化電路,是速度優先還是面積優先,時鐘樹應該怎樣設計,怎樣同步兩個異頻時鐘等等。推薦的教材是《FPGA權威指南》、《Altera FPGA/CPLD設計》第二版的基礎篇和高級篇兩本。學會加快編譯速度(增量式編譯、LogicLock),靜態時序分析(timequest),嵌入式邏輯分析儀(signaltap)就算是通關了。如果有不懂的地方可以暫時跳過,因為這部分還需要足量的實踐,才能有較深刻的理解。

          四、學會提高開發效率

          因為Quartus和ISE的編輯器功能太弱,影響了開發效率。所以建議使用Sublime text編輯器中代碼片段的功能,以減少重復性勞動。Modelsim也是常用的仿真工具,學會TCL/TK以編寫適合自己的DO文件,使得仿真變得自動化,推薦的教材是《TCL/TK入門經典》。你可能會手動備份代碼,但是專業人士都是用版本控制器Git的,可以提高工作效率。文件比較器Beyond Compare也是個比較常用的工具,Git也有比較功能。此外,你也可以使用System Verilog來替代testbench,這樣效率會更高一些。如果你是做IC驗證的,就必須掌握System Verilog和驗證方法學(UVM)。推薦的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012語法手冊》。

          掌握了TCL/TK之后,可以學習虛擬Jtag(ISE也有類似的工具)制作屬于自己的調試工具,此外,有時間的話,最好再學個python。腳本,意味著一勞永逸。

          五、增強理論基礎

          這個時候,你已經會使用FPGA了,但是還有很多事情做不了(比如,FIR濾波器、PID算法、OFDM等),因為理論沒學好。我大概地分幾個方向供大家參考,后面跟的是要掌握的理論課。

          1、信號處理——信號與系統、數字信號處理、多采樣率信號處理、數字圖像處理、現代數字信號處理、盲信號處理、自適應濾波器原理、雷達信號處理

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

          3、無線通信——信號與系統、數字信號處理、通信原理、移動通信基礎、隨機過程、信息論與編碼

          4、CPU設計——計算機組成原理、單片機、計算機體系結構、編譯原理、RISC-V

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

          6、控制系統——自動控制原理、現代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應用

          7、壓縮、編碼、加密——數論、抽象代數、現代編碼技術、信息論與編碼、數據壓縮導論、應用密碼學、音頻信息處理技術、數字視頻編碼技術原理、H.265

          現在你發現,原來FPGA會涉及到那么多知識,你可以選一個感興趣的方向,但是工作中很有可能用到其中幾個方向的知識,所以理論還是學得越多越好。如果你要更上一層,數學和英語是不可避免的。

          六、學會使用MATLAB仿真

          設計FPGA算法的時候,多多少少都會用到MATLAB,比如CRC的系數矩陣、FFT、數字濾波器系數、各種表格和文本處理等。此外,MATLAB還能用于調試HDL(用MATLAB的計算結果跟用HDL算出來的一步步對照,可以知道哪里出問題)。推薦的教材是《MATLAB寶典》和杜勇的《數字濾波器的MATLAB與FPGA實現》。

          七、足量的實踐

          這個時候你至少讀過幾遍芯片手冊(官網有),然后可以針對自己的方向,做一定量的實踐了(期間要保持良好的代碼風格,增加元件例化語句的可讀性,繪制流程圖/時序圖,撰寫文檔的習慣)。比如:通信類的可以做調制解調算法,儀表類的可以做總線分析儀等等。不過這些算法,在書上只是給了個公式、框圖而已,跟實際的差距很大,你甚至會覺得書上的東西都很膚淺。那么,你可以在知網、百度文庫、EETOP論壇、opencores、ChinaAET、SCI-HUB、Q群共享、博客上面找些相關資料(校外的朋友可以在淘寶買個知網賬號)。其實,當你到了這個階段,你已經達到了職業級水平,有空就多了解一些前沿技術,這將有助于你的職業規劃。

          在工作當中,或許你需要關注很多協議和行業標準,協議可以在EETOP上面找到,而標準(如:國家標準GB和GB/T,國際標準ISO)就推薦《標準網》和《標準分享網》。

          八、數電的盡頭是模電

          現在FPGA內部的事情是難不到你的,但是信號出了FPGA,你就沒法控制了。這個時候必須學好模電。比如:電路分析、模擬電子技術、高頻電子線路、PCB設計、EMC、SI、PI等等,能設計出一塊帶兩片DDR3的FPGA開發板,就算通關了。具體的學習路線可以參考本博客的《如何學習硬件設計——理論篇》和《如何學習硬件設計——實踐篇》。

          九、學無止境

          能到這個境界,說明你已經很厲害了,但是還有很多東西要學的,因為FPGA常常要跟CPU交互,也就是說你得經常跟軟件工程師交流,所以也得懂點軟件方面的知識。比如ARM(Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC會用到ARM的硬核,請參考本博客的《如何學習嵌入式軟件》)、DSP、Linux、安卓、上位機(QT、C#、JAVA)都可以學一下,反正學無止境的。

          更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<

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        電子技術應用專欄作家  FPGA之旅


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