FPGA进阶篇

印宁华|Indining China|

2024-07-24 15:56:37 752

本篇为之前“FPGA基础篇”姊妹篇

1. 硬件描述语言——Verilog + VHDL

首先，要掌握数字电路原理。学习数字电路原理是迈出的*步。在掌握数字电路原理之前，必须先了解基础知识。然后，你可以选择学习Verilog或者VHDL。如果你已经掌握了C语言基础，建议选择VHDL。因为Verilog与C语言相似度较高，容易混淆，最终会发现自己花费了很多时间去区分这两种语言，而不是学习如何使用它们。当然，你也可以选择Verilog，毕竟Verilog的应用比较广泛。

接下来，找到一个示例来复制代码。复制代码的目的是熟悉语法规则和编译器。然后模仿编写，并最终在不阅读书籍的情况下编写代码。编译代码后，打开RTL图表，看看出了什么样的电路。

HDL是一种硬件描述语言，突出了硬件作为特点，所以要以数字电路的思维来思考HDL，而不是使用C或其他*语言。

2. 独立完成小型和中型数字电路设计

现在，你可以设计一些数字电路，比如电子吉他、交通信号灯、DDS等。在这个阶段，你要做的只是根据规范要求或时序图，在HDL中设计电路以实现它。你需要一个开发板，在掌握HDL之前不需要购买开发板。你不用每次编译通过都下载代码，我们使用ModelSim仿真。如果仿真不能通过，那就没有必要下载。在这里首先掌握简单的测试台就可以了。

3、掌握设计方法和设计原则

到这里你会发现，你的电路虽然是正确的，但会提示很多警告。这时候，你需要学会同步设计原则，优化电路，无论是优先速度还是优先面积，时钟树应该如何设计，如何同步两个异频时钟等等。学会加快编译、静态时序分析、嵌入式逻辑分析器是必须的。如果有不理解的地方可以暂时跳过，因为这部分也需要足够的练习，才能有更深的理解。

4、学会提高开发效率

因为Quartus和ISE编辑器功能较弱，影响了开发效率。因此建议使用Sublime文本编辑器中的代码片段功能，减少重复工作。ModelSim也是一种常见的仿真工具，学习TCL/TK编写自己的DO文件使仿真自动化。你可能会手动备份你的代码，但专业人士使用版本控制器，所以掌握GIT以提高效率是很重要的。文件比较工具Beyond Compare也是一种比较常见的工具。此外，你还可以使用System Verilog代替测试台，这样会更加高效。如果你正在做IC验证，你必须掌握System Verilog和验证方法论（UVM）。

掌握了TCL/TK之后，你可以学习虚拟JTAG（ISE也有类似的工具），制作自己的调试工具。另外，如果有时间，最好学习一些Python脚本，这样可以一劳永逸。

5、加强理论基础

此时，你已经可以使用FPGA了，但仍有许多事情做不到（例如FIR滤波器、PID算法、OFDM等），因为理论学得不够扎实。我们将大致分成几个方向供你参考，然后跟随理论课来掌握。

1、信号处理——信号与系统、数字信号处理、数字图像处理、现代数字信号处理、盲信号处理、自适应滤波器原理、雷达信号处理。

2、接口应用——UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2（10G以太网接口）、SATA、光纤、DisplayPort。

3、无线通信——信号与系统、数字信号处理、通信原理、移动通信基础、随机过程、信息论与编码。

4、CPU设计——计算机组成原理、微控制器、计算机体系结构、编译原理。

5、仪器仪表——模拟电子学、高频电子电路、电子测量技术、智能仪器原理与应用。

6、控制系统——自动控制原理、现代控制理论、过程控制工程、模糊控制器理论与应用。

7、压缩、编码、加密——数论、抽象代数、现代编码技术、信息论与编码、数据压缩简介、应用密码学、音频信息处理技术、数字视频编码技术原理。

现在你会发现，原来FPGA涉及这么多知识，你可以选择一个感兴趣的方向，但工作可能会涉及到几个方向的知识，所以理论学得越多越好。

6、学会使用MATLAB仿真

在设计FPGA算法时，多少会用到MATLAB，也可以起到辅助FPGA视觉算法硬件化，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还可以用于调试HDL，通过将MATLAB的计算结果与HDL逐步计算进行对比，你可以知道哪里出了问题。

7、充分练习

此时你至少已经阅读了芯片手册几次（可以在官方网站上找到），然后可以为自己的方向做一定数量的练习（期间保持*的代码风格，增加组件示例语句的可读性，绘制流程图/时序图，编写文档的习惯）。

例如：通信类可以做调制和解调算法，仪器类可以做总线分析仪等。但这些算法在书中只给出了一个公式、框图，实际的差距很大，你甚至可能觉得书写得很肤浅。实际上，当你达到这个阶段时，你已经达到了专业水平，自由地了解一些前沿技术，这将有助于你的职业规划。

8、图像处理

1、Photoshop。花一两周时间学习PS，对图像处理有一个大致的了解，了解各种图片格式、直方图、色调、通道、滤镜、拼接等基本概念，并能够使用它。这部分是零基础的，目的是让你对图像处理有一种感性的理解，而不是一堆公式推导出来的。

2、基于MATLAB或OpenCV的图像处理。在这个阶段，只要学习简单的调用函数即可，暂时不必深究实现的细节。

3、图像处理的基本理论。这部分理论需要较高的数学基础，包括复变函数、线性代数、信号与系统、数字信号处理等基础知识，如果基础不好，建议先补足基础再来。无法理解理论的也可以暂时放下，也许学习后自然就能有所启发。

4、基于FPGA的图像处理。将前面学到的理论应用到FPGA上，如果你已经达到了第七阶段的水平，你将很容易独立完成图像算法的设计（图像处理离不开接口，要求在第五阶段以上）。

5、深入学习数学。要想在算法上达到更高的水平，必须需要更多的数学知识，所以这里建议学习实分析、广义分析、小波分析等。

9、电子学的终点是模拟电子

现在，你对FPGA内部的东西已经不难了，但是FPGA输出的信号却无法控制。这时候就必须学好模拟电子。例如：电路分析、模拟电子学、高频电子电路、PCB设计、EMC、SI、PI等，可以设计一块带有两片DDR3的FPGA开发板，即使通关。

10、学习是个坚持的过程

能达到这个水平，说明你已经很不错了，但是还有许多事情要学，因为FPGA经常需要与CPU交互，也就是说，你必须与软件工程师沟通，所以你也必须懂一些软件知识。例如，ARM（Xilinx ZYNQ和Altera的SOC会使用ARM硬核）。总之，学习是个长期坚持的事情。正因为技术无止境，所以FPGA工程师几乎没有年龄上的职业危机。所以，加油吧！

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