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FPGA的“可编程”使你迷惑吗?

   
    任何一个硬件工程师对FPGA都不会陌生,就好比C语言对于软件工程师来说是必修课程一样,只要是电子相关专业的学生,都要学习可编程逻辑这门课程。
FPGA的英文全称是Field Programmable Gate
Array,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
    从表象看,Programmable这个单词确实能够很好的描述FPGA的特点,但这也使得很多初学者走了不少弯路。一说到编程,大家不免联想到
coding,因为软件编程的思想对工程师来说已经是根深蒂固了。因此,很多初学者都会问一个相同的问题,两种硬件编程语言VHDL和Verilog,应
该学哪个?即使明确了要学习哪种设计语言,也会一头扎进浩瀚的语法中,走向歧途。有些初学者写了大量的代码,在Demo板上跑了n个试验,可还是觉得不懂
FPGA,甚至搞不清楚它和单片机的区别。这是为什么?其实,这都归结一个原因,就是被“可编程”这3个字给迷惑了,也就是说,没有弄清楚FPGA的本质
是什么。因此,对于FPGA的学习也就不着法门,事倍功半,浪费了不少时间,却仍然达不到效果。
   
FPGA是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。因此,从
底层来看,FPGA还是属于集成电路的范畴。就当前的技术而言,使用FPGA开发项目还是全部基于数字电路设计的,所以,FPGA的“可编程”也就是实现
不同的数字电路逻辑。这与所谓的软件编程有着本质的区别!归根结底,FPGA设计就是电路设计,因此,对于每个FPGA工程师来说,在做设计时必须在脑中
有电路的模样,这很重要!那么,到底该如何有效地学习FPGA呢?其实,很简单,只要从以下7点着手,循序渐进,日积月累,就完全能够对FPGA设计游刃
有余。
    1.
首先,必须了解FPGA的结构和性能。不同厂家,不同系列的FPGA芯片都有不同的结构和性能,但是万变不离其中。刚开始,从掌握几款典型的高端芯片开
始,例如Altera公司的Stratix III和Xilinx公司的Virtex
5。之后,再去了解其它系列的芯片就很容易了。至于Lattice和Actel公司的芯片,当使用时再了解也不迟,因为学习主流的东西才会更加有效!许多
有关FPGA的教科书都会以几款常用的芯片为例,讲述FPGA的基本结构和原理。初学者看了后,总觉得过于抽象,有点不知所云的感觉。因此,为了深刻理解
FPGA,必须要有扎实的数字电路基础!在数字电路里,最基本的就是逻辑和时序。工程师必须明白FPGA内部逻辑结构和数字电路基本电路结构的关系。例
如,任何4个输入信号的组合逻辑都可以通过FPGA提供的4输入LUT来实现。如果使用Xilinx的芯片,移位寄存器既可以通过多个触发器级联实现,也
可以通过LUT来实现。通常,初学者可以设计出正确的逻辑,但却很容易忽略时序。在I/O口的设计中,与时序相关的缺陷对于产品是致命的,会影响产品的可
靠性。因此,在掌握了结构后,还必须关注芯片的一些重要时序参数,例如I/O口时钟的建立时间、保持时间和从触发器到输出的延迟时间,以及芯片内部工作时
钟的最高频率等等。只有充分掌握了所使用芯片的结构和性能,才能设计出一个合理的系统,才能保证FPGA的设计可靠稳定。FPGA厂商提供的大量文档是一
个不错的学习资料。
    2.
FPGA既然是“可编程”,自然离不开编程语言。其实,早期的工程师大多使用原理图输入方式进行逻辑设计,这是一种更接近于电路设计的设计方式。这种设计
方式对设计者要求较高,而且也不利于移植和维护,因此VHDL和Verilog才渐渐流行起来。这两种语言,无所谓孰优孰劣,只不过Verilog发展的
比VHDL好,而且和将来可能一统天下的SystemVerilog比较接轨。它们都是硬件描述语言。既然叫硬件描述语言,自然是和软件世界里的编程不一
样,所以,初学者不能把它当作软件编程语言来学习,否则就会舍本逐末。如果仅仅只是从事FPGA逻辑设计和做简单的功能仿真,只需学习最简单的语法就够
了。那些用于写验证脚本的语法,完全不用学,基本用不上。语言仅仅只是一个工具,尤其在硬件设计里,代码写得漂不漂亮,并不重要,最关键的是设计思想。记
住,FPGA工程师是在设计电路,而不是在“编程”!
    3.
很多工程师会谈到算法的重要性,认为必须懂得很多算法。没错,好的算法对于设计来说犹如利器一般。可是,研究算法和如何实现算法是两个不同的概念,研究算
法是在做数学题,实现算法才是工程师的职责。这里并不是说FPGA工程师不用去研究算法,而是强调职责所在。不同的算法,我们对其原理的研究和理解的要求
也是不同的。例如8B/10B编码,只要你懂得在哪里需要使用它就够了,现成的IP
Core可以直接调用。但是,诸如FEC编解码这样的算法,则只有了解了基本原理后才可能懂得如何实现。对于算法,FPGA工程师的重点就是在于“如何实
现”!。另外,算法之外,逻辑设计里常用的设计方法必须懂得,例如,乒乓操作、流水线设计和分时复用等等。还有常用的逻辑模块,如异步FIFO、状态机,
这些其实都是数字电路里最基础的东西,但是对于初学者来说,在做FPGA设计时未必会正确的使用。
    4.
FPGA设计必须有一个好的设计流程来支撑。代码写完后,花大量时间做完善的功能仿真和验证是很有必要的。可是一些工程师并不重视仿真和验证,而是迫不及
待的上板调试。碰到BUG后就在代码上修修补补,运气好的话,BUG表面上是解决了,可真正深层次的原因却未必发现,给产品留下了隐患。一个好的设计流程
要求大多数BUG在前期工作中必须解决掉,功能仿真和验证则是一个很有效也很重要的步骤。除了仿真验证,综合和布线也必须重视,这要求我们必须仔细浏览编
译报告和时序报告,因为,许多时序问题都能通过报告反映出来。有时候,一些工程师碰到时序问题,仅仅做时钟反相来调整数据和时钟的相位关系,或者修改综合
和布线的参数,仍无法解决问题。尤其是在用了高速时钟的设计里,大多数情况,我们只有修改代码里的逻辑才能满足设计的时序要求。这些也只有仔细分析了报告
后,才能对症下葯。另外,对于大多数同步逻辑设计来说,时序仿真是没有必要的,这一步完全可以省略。
    5.
现阶段,FPGA发展的三大方向就是SOC,高速I/O和DSP。在有限的时间里,选择一个领域进行主攻是有必要的,只有明确了目标,才会更加投入。
SOC设计要求设计者对软件编程、CPU原理甚至是操作系统比较了解才行,因为SOC就是一个软硬件结合的系统。高速I/O设计则要求设计者掌握许多模拟
电路的基本知识以及一些常用的通信协议,例如,SDH、GbE、PCI-E等等。FPGA在DSP领域的使用是近几年兴起的一个发展方向。FPGA由于其
内在的并行特性,能以很高的效率实现DSP算法中计算量较大的模块,非常适合视频和图像处理等对DSP性能要求越来越高的新兴应用,设计者需要掌握数字信
号处理常用算法。这3个方向完全不同,切勿囫囵吞枣,一切通吃!“术业有专功”,资深的高级工程师也很难在多个方向都取得成就。当然,若能在一个领域有较
深的研究,同时,对另外两个领域也有一定的了解,那就更好了。
    6.
一个优秀的FPGA工程师,必须做到“一专多能”。所谓的“一专”当然是指在FPGA设计领域的专业深度,而“多能”则是要求工程师对其它专业领域也要有
所了解和掌握。例如,对于设计一个SOC系统来说,C语言就必须学习,否则对于片上系统的架构就可能不合理。另外,对于设计高速I/O口的工程师来说,电
路板原理设计和PCB设计则需要有所了解。只有掌握了预加重、均衡以及阻抗匹配等这些与模拟电路相关的概念,才可能在设计和调试中得心应手。
    7.
最后一点,也是最难的一点,这也是迈向高级工程师的关键,就是FPGA的设计需要一个好的系统架构方案和合理的模块化分。这有助于FPGA的调试和维护,
也便于多人共同开发,尤其是在使用大规模FPGA时,这也就是常说的Top-Down设计方式。把一个庞大的、复杂的设计化分成若干个小模块,而且层次要
分明,不能扁平化,这需要设计者对设计必须有全面深刻的理解。一个杂乱无序的设计对于后期的维护是灾难性的,尤其是对于接手者来说,若要修改某个逻辑,可
以说是苦不堪言。从这一点看,初学者的问题都可以在这里找到答案。FPGA学什么?就是学习系统级的电路设计。所以,FPGA工程师的发展方向就是系统工
程师。
   
以上7点若能有深刻理解,则就能看清FPGA的本质了。市场的瞬息变化,要求电子产品必须对市场具有高敏感性,产品从方案设计到市场投放的时间越来越
短,FPGA在其中功不可没。另外,在面对Cost
Down时,FPGA也起着不可或缺的作用。在当今时代,FPGA已经在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应
用。随着功耗和成本的进一步降低,FPGA还将进入更多的应用领域,相信FPGA工程师也必将会有一个更加广阔的施展空间。
文章来自: http://itlem.ycool.com/post.3076866.html

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