?????? 對于很多初學者，大部分都是急于求成，熟不知越是急于求成，最終越是學無所成，到頭來兩手空空，要學好FPGA，必須弄懂FPGA本質的一些內容。

1.FPGA內部結構及基本原理

????? FPGA是可以編程的，必須通過了解FPGA內部結構才能很好地理解為什么FPGA是可以編程的。學習FPGA不能像學習其他CPU芯片一樣，看到Verilog或者VHDL就像看到C語言或者其它軟件編程語言一樣。一條條的讀，一條條的分析。要沖破軟件編程的思想。

????? 那么FPGA為什么是可以“編程”的呢？首先來了解一下什么叫“程”。啟示“程”只不過是一堆具有一定含義的01編碼而已。編程，其實就是編寫這些01編碼。只不過我們現在有了很多開發工具，通常都不是直接編寫這些01編碼，而是以高級語言的形式來編寫，最后由開發工具轉換為這種01編碼而已。對于軟件編程而言，處理器會有一個專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號，然后控制其內部的電路完成一個個的運算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的讀，因為軟件的操作是一步一步完成的。而FPGA的可編程，本質也是依靠這些01編碼實現其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來再去控制一個運算電路，FPGA里面沒有這些東西。圖1.5是Cyclone IV代芯片內部結構。

圖1.5 Cyclone IV內部結構

?????? FPGA內部主要三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊。可編程的邏輯單元是什么？其基本結構某種存儲器（SRAM、FLASH等）制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”加上一個D觸發器構成。任何一個4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對應的“真值表”，同樣的如果用這么一個存儲器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。這些“真值表”內部值是什么？就是那些01編碼而已。如果要實現時序邏輯電路怎么辦？這不又D觸發器嘛，任何的時序邏輯都可以轉換為組合邏輯+D觸發器來完成。但這畢竟只實現了4輸入1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規模那是相當的大哦。那怎么辦呢？這個時候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲器控制的鏈接點，通過改寫對應存儲器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開的。這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實是FPGA作為芯片級使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個非專用引腳（FPGA中有專門的非用戶可使用的測試、下載用引腳）為輸入還是輸出，還可以對IO的電平標準進行設置。總歸一句話，FPGA之所以可編程是因為可以通過特殊的01代碼制作成一張張“真值表”，并將這些“真值表”組合起來以實現大規模的邏輯功能。圖1.6是Cyclone IV的FPGA內部LE示意圖。不了解FPGA內部結構，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無法深入的了解如何能夠充分運用FPGA。現在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實現復雜的邏輯電路設計，是從菜鳥邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內部邏輯及其工作原理做起。

圖1.6 Cyclone的LE結構

2.正確理解verilog/VHDL語言以及和硬件結構的關系

?????? HDL語言的英語全稱是：Hardware Description Language，注意這個單詞Description，而不是Design。為什么要用Description這個詞而不是Design呢？因為HDL確實不是用用來設計硬件的，而僅僅是用來描述硬件的。描述這個詞精確地反映了HDL語言的本質，HDL語言不過是已知硬件電路的文本表現形式而已，只是將以后的電路用文本的形式描述出來而已。而在編寫語言之前，硬件電路應該已經被設計出來了。語言只不過是將這種設計轉化為文字表達形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已經被設計出來了，直接拿去制作部就完了，為什么還要轉化為文字表達形式再通過EDA工具這些麻煩的流程呢？其實這就是很多菜鳥沒有了解設計的抽象層次的問題，任何設計包括什么服裝、機械、廣告設計都有一個抽象層次的問題。就拿廣告設計來說吧，最初的設計也許就是一個概念，設計出這個概念也是就是一個點子而已，離最終拍成廣告還差得很遠。硬件設計也是有不同的抽象層次，每一個層次都需要設計。

?????? 最高的抽象層次為算法級、然后依次是體系結構級、寄存器傳輸級、門級、物理版圖級。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開發軟件轉化為FPGA內部邏輯功能實現形式。

?????? 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.學以致用

????? 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或者集成電路設計專業的學生用的，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、視頻監控設備等。當現有芯片無法滿足系統的需求時，就需要用FPGA來快速的定義一個能用的芯片。

????? 前面說了，FPGA里面無法就是一些“真值表”、觸發器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統工程師使用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。本質上和利用現有芯片組合成不同的電子系統沒有區別，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，實現何種功能才能滿足系統的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識。

????? 對于我們學過的數字電路和模擬電路，如果連最基本的數字邏輯的知識都有問題，學習FPGA的愿望只是空中樓閣而已。如果不能將數字邏輯知識爛熟于心，養成良好的設計習慣，學FPGA到最后仍然是霧里看花水中望月，始終是一場空。

轉載于:https://www.cnblogs.com/raymon-tec/p/4993754.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《FPGA全程进阶---实战演练》第一章之如何学习FPGA的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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