FPGA進(jìn)階篇

印寧華|Indining China|

2024-07-24 15:56:37 767

本篇為之前“FPGA基礎(chǔ)篇”姊妹篇

1. 硬件描述語言——Verilog + VHDL

首先，要掌握數(shù)字電路原理。學(xué)習(xí)數(shù)字電路原理是邁出的*步。在掌握數(shù)字電路原理之前，必須先了解基礎(chǔ)知識。然后，你可以選擇學(xué)習(xí)Verilog或者VHDL。如果你已經(jīng)掌握了C語言基礎(chǔ)，建議選擇VHDL。因?yàn)閂erilog與C語言相似度較高，容易混淆，最終會(huì)發(fā)現(xiàn)自己花費(fèi)了很多時(shí)間去區(qū)分這兩種語言，而不是學(xué)習(xí)如何使用它們。當(dāng)然，你也可以選擇Verilog，畢竟Verilog的應(yīng)用比較廣泛。

接下來，找到一個(gè)示例來復(fù)制代碼。復(fù)制代碼的目的是熟悉語法規(guī)則和編譯器。然后模仿編寫，并最終在不閱讀書籍的情況下編寫代碼。編譯代碼后，打開RTL圖表，看看出了什么樣的電路。

HDL是一種硬件描述語言，突出了硬件作為特點(diǎn)，所以要以數(shù)字電路的思維來思考HDL，而不是使用C或其他*語言。

2. 獨(dú)立完成小型和中型數(shù)字電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，你可以設(shè)計(jì)一些數(shù)字電路，比如電子吉他、交通信號燈、DDS等。在這個(gè)階段，你要做的只是根據(jù)規(guī)范要求或時(shí)序圖，在HDL中設(shè)計(jì)電路以實(shí)現(xiàn)它。你需要一個(gè)開發(fā)板，在掌握HDL之前不需要購買開發(fā)板。你不用每次編譯通過都下載代碼，我們使用ModelSim仿真。如果仿真不能通過，那就沒有必要下載。在這里首先掌握簡單的測試臺就可以了。

3、掌握設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)原則

到這里你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你的電路雖然是正確的，但會(huì)提示很多警告。這時(shí)候，你需要學(xué)會(huì)同步設(shè)計(jì)原則，優(yōu)化電路，無論是優(yōu)先速度還是優(yōu)先面積，時(shí)鐘樹應(yīng)該如何設(shè)計(jì)，如何同步兩個(gè)異頻時(shí)鐘等等。學(xué)會(huì)加快編譯、靜態(tài)時(shí)序分析、嵌入式邏輯分析器是必須的。如果有不理解的地方可以暫時(shí)跳過，因?yàn)檫@部分也需要足夠的練習(xí)，才能有更深的理解。

4、學(xué)會(huì)提高開發(fā)效率

因?yàn)镼uartus和ISE編輯器功能較弱，影響了開發(fā)效率。因此建議使用Sublime文本編輯器中的代碼片段功能，減少重復(fù)工作。ModelSim也是一種常見的仿真工具，學(xué)習(xí)TCL/TK編寫自己的DO文件使仿真自動(dòng)化。你可能會(huì)手動(dòng)備份你的代碼，但專業(yè)人士使用版本控制器，所以掌握GIT以提高效率是很重要的。文件比較工具Beyond Compare也是一種比較常見的工具。此外，你還可以使用System Verilog代替測試臺，這樣會(huì)更加高效。如果你正在做IC驗(yàn)證，你必須掌握System Verilog和驗(yàn)證方法論（UVM）。

掌握了TCL/TK之后，你可以學(xué)習(xí)虛擬JTAG（ISE也有類似的工具），制作自己的調(diào)試工具。另外，如果有時(shí)間，最好學(xué)習(xí)一些Python腳本，這樣可以一勞永逸。

5、加強(qiáng)理論基礎(chǔ)

此時(shí)，你已經(jīng)可以使用FPGA了，但仍有許多事情做不到（例如FIR濾波器、PID算法、OFDM等），因?yàn)槔碚搶W(xué)得不夠扎實(shí)。我們將大致分成幾個(gè)方向供你參考，然后跟隨理論課來掌握。

1、信號處理——信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、數(shù)字圖像處理、現(xiàn)代數(shù)字信號處理、盲信號處理、自適應(yīng)濾波器原理、雷達(dá)信號處理。

2、接口應(yīng)用——UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2（10G以太網(wǎng)接口）、SATA、光纖、DisplayPort。

3、無線通信——信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、通信原理、移動(dòng)通信基礎(chǔ)、隨機(jī)過程、信息論與編碼。

4、CPU設(shè)計(jì)——計(jì)算機(jī)組成原理、微控制器、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、編譯原理。

5、儀器儀表——模擬電子學(xué)、高頻電子電路、電子測量技術(shù)、智能儀器原理與應(yīng)用。

6、控制系統(tǒng)——自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應(yīng)用。

7、壓縮、編碼、加密——數(shù)論、抽象代數(shù)、現(xiàn)代編碼技術(shù)、信息論與編碼、數(shù)據(jù)壓縮簡介、應(yīng)用密碼學(xué)、音頻信息處理技術(shù)、數(shù)字視頻編碼技術(shù)原理。

現(xiàn)在你會(huì)發(fā)現(xiàn)，原來FPGA涉及這么多知識，你可以選擇一個(gè)感興趣的方向，但工作可能會(huì)涉及到幾個(gè)方向的知識，所以理論學(xué)得越多越好。

6、學(xué)會(huì)使用MATLAB仿真

在設(shè)計(jì)FPGA算法時(shí)，多少會(huì)用到MATLAB，也可以起到輔助FPGA視覺算法硬件化，比如CRC的系數(shù)矩陣、數(shù)字濾波器系數(shù)、各種表格和文本處理等。此外，MATLAB還可以用于調(diào)試HDL，通過將MATLAB的計(jì)算結(jié)果與HDL逐步計(jì)算進(jìn)行對比，你可以知道哪里出了問題。

7、充分練習(xí)

此時(shí)你至少已經(jīng)閱讀了芯片手冊幾次（可以在官方網(wǎng)站上找到），然后可以為自己的方向做一定數(shù)量的練習(xí)（期間保持*的代碼風(fēng)格，增加組件示例語句的可讀性，繪制流程圖/時(shí)序圖，編寫文檔的習(xí)慣）。

例如：通信類可以做調(diào)制和解調(diào)算法，儀器類可以做總線分析儀等。但這些算法在書中只給出了一個(gè)公式、框圖，實(shí)際的差距很大，你甚至可能覺得書寫得很膚淺。實(shí)際上，當(dāng)你達(dá)到這個(gè)階段時(shí)，你已經(jīng)達(dá)到了專業(yè)水平，自由地了解一些前沿技術(shù)，這將有助于你的職業(yè)規(guī)劃。

8、圖像處理

1、Photoshop?；ㄒ粌芍軙r(shí)間學(xué)習(xí)PS，對圖像處理有一個(gè)大致的了解，了解各種圖片格式、直方圖、色調(diào)、通道、濾鏡、拼接等基本概念，并能夠使用它。這部分是零基礎(chǔ)的，目的是讓你對圖像處理有一種感性的理解，而不是一堆公式推導(dǎo)出來的。

2、基于MATLAB或OpenCV的圖像處理。在這個(gè)階段，只要學(xué)習(xí)簡單的調(diào)用函數(shù)即可，暫時(shí)不必深究實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

3、圖像處理的基本理論。這部分理論需要較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，包括復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理等基礎(chǔ)知識，如果基礎(chǔ)不好，建議先補(bǔ)足基礎(chǔ)再來。無法理解理論的也可以暫時(shí)放下，也許學(xué)習(xí)后自然就能有所啟發(fā)。

4、基于FPGA的圖像處理。將前面學(xué)到的理論應(yīng)用到FPGA上，如果你已經(jīng)達(dá)到了第七階段的水平，你將很容易獨(dú)立完成圖像算法的設(shè)計(jì)（圖像處理離不開接口，要求在第五階段以上）。

5、深入學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。要想在算法上達(dá)到更高的水平，必須需要更多的數(shù)學(xué)知識，所以這里建議學(xué)習(xí)實(shí)分析、廣義分析、小波分析等。

9、電子學(xué)的終點(diǎn)是模擬電子

現(xiàn)在，你對FPGA內(nèi)部的東西已經(jīng)不難了，但是FPGA輸出的信號卻無法控制。這時(shí)候就必須學(xué)好模擬電子。例如：電路分析、模擬電子學(xué)、高頻電子電路、PCB設(shè)計(jì)、EMC、SI、PI等，可以設(shè)計(jì)一塊帶有兩片DDR3的FPGA開發(fā)板，即使通關(guān)。

10、學(xué)習(xí)是個(gè)堅(jiān)持的過程

能達(dá)到這個(gè)水平，說明你已經(jīng)很不錯(cuò)了，但是還有許多事情要學(xué)，因?yàn)镕PGA經(jīng)常需要與CPU交互，也就是說，你必須與軟件工程師溝通，所以你也必須懂一些軟件知識。例如，ARM（Xilinx ZYNQ和Altera的SOC會(huì)使用ARM硬核）。總之，學(xué)習(xí)是個(gè)長期堅(jiān)持的事情。正因?yàn)榧夹g(shù)無止境，所以FPGA工程師幾乎沒有年齡上的職業(yè)危機(jī)。所以，加油吧！

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