小白學(xué)習(xí)FPGA必備的四個(gè)基礎(chǔ)知識(shí)

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，以其并行處理能力強(qiáng)、開(kāi)發(fā)周期短、邏輯可實(shí)時(shí)改變等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)字信號(hào)處理、圖像處理、通信等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于新手而言，學(xué)習(xí)FPGA需要掌握一些基礎(chǔ)知識(shí)，本文將從四個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹：FPGA的基本概念與工作原理、硬件描述語(yǔ)言（HDL）、數(shù)字電路基礎(chǔ)以及硬件設(shè)計(jì)思想。

一、FPGA的基本概念與工作原理

FPGA是一種集成電路，它包含了大量可以編程的邏輯單元和可編程的互連資源。這些邏輯單元可以配置成各種數(shù)字電路，如與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)等，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)特定的功能。FPGA的編程是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式。

FPGA的工作原理可以簡(jiǎn)單理解為：通過(guò)修改真值表和連接關(guān)系，將FPGA內(nèi)部的邏輯單元組合成一張專(zhuān)門(mén)的真值表，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。這與軟件編程中處理器逐條翻譯語(yǔ)言、控制內(nèi)部電路完成運(yùn)算或操作的方式有本質(zhì)區(qū)別。因此，學(xué)習(xí)FPGA需要理解其內(nèi)部的工作原理，學(xué)會(huì)如何利用這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)。

二、硬件描述語(yǔ)言（HDL）

HDL是硬件描述語(yǔ)言，用于描述硬件電路的結(jié)構(gòu)和行為。目前主流的HDL有Verilog和VHDL兩種。HDL與C語(yǔ)言等高級(jí)編程語(yǔ)言有本質(zhì)區(qū)別，它是一種“描述”語(yǔ)言，用文本的方式把硬件電路描述出來(lái)。在學(xué)習(xí)HDL時(shí)，需要正確理解“描述”的含義，能夠在閱讀HDL程序時(shí)，在腦子里反映出一個(gè)完整的硬件電路結(jié)構(gòu)。

HDL的學(xué)習(xí)包括基本語(yǔ)法、代碼編寫(xiě)、仿真工具的使用以及代碼調(diào)試技巧。通過(guò)練習(xí)編寫(xiě)簡(jiǎn)單的電路代碼，如LED閃爍、計(jì)數(shù)器等，可以加深對(duì)HDL的理解。同時(shí)，利用仿真工具可以驗(yàn)證代碼的正確性，觀(guān)察輸出結(jié)果是否與預(yù)期一致。

三、數(shù)字電路基礎(chǔ)

數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)是FPGA學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。FPGA本質(zhì)上是一堆數(shù)字邏輯組合在一起實(shí)現(xiàn)特定功能的集成電路。因此，學(xué)習(xí)FPGA需要掌握觸發(fā)器、組合電路、時(shí)序電路、競(jìng)爭(zhēng)、毛刺等基本概念。這些基礎(chǔ)知識(shí)對(duì)于理解FPGA內(nèi)部的工作原理、編寫(xiě)正確的HDL代碼以及進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在學(xué)習(xí)數(shù)字電路基礎(chǔ)時(shí)，需要理解各種門(mén)電路（如與門(mén)、或門(mén)、非門(mén)）的工作原理和特性。同時(shí)，還需要學(xué)習(xí)如何將抽象的算法提煉成算法的結(jié)構(gòu)，再分解成具體的模塊并通過(guò)硬件電路實(shí)現(xiàn)出來(lái)。這是從菜鳥(niǎo)級(jí)別步入老鳥(niǎo)級(jí)別的關(guān)鍵步驟。

四、硬件設(shè)計(jì)思想

學(xué)習(xí)FPGA一定要有硬件設(shè)計(jì)思想。與軟件編程不同，硬件設(shè)計(jì)更注重資源的利用和并行處理。在FPGA中，如果實(shí)現(xiàn)一個(gè)乘法器不夠用，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或三個(gè)來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)要求；可以進(jìn)行流水線(xiàn)設(shè)計(jì)；串行運(yùn)行方式不夠快了，可以先串并轉(zhuǎn)換，再并行的做處理。這些都需要充分利用FPGA的資源去滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

硬件設(shè)計(jì)思想的核心是摒棄軟件編程的一些固有思路，學(xué)會(huì)用硬件的方式去解決問(wèn)題。例如，在軟件編程中，如果系統(tǒng)要求1秒鐘實(shí)現(xiàn)50次乘法運(yùn)算，我們會(huì)盡可能的優(yōu)化代碼，讓代碼更簡(jiǎn)潔更高效。但在FPGA中，我們更注重的是資源的利用和并行處理的能力。因此，在編寫(xiě)HDL代碼時(shí)，需要時(shí)刻提醒自己正在設(shè)計(jì)的是一個(gè)電路，而不是一行行空洞的代碼。

結(jié)語(yǔ)

FPGA的學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷積累和實(shí)踐的過(guò)程。通過(guò)掌握FPGA的基本概念與工作原理、學(xué)習(xí)硬件描述語(yǔ)言、打牢數(shù)字電路基礎(chǔ)以及培養(yǎng)硬件設(shè)計(jì)思想，新手可以逐步提高自己的FPGA編程能力。同時(shí)，還需要不斷參與實(shí)踐項(xiàng)目、加入相關(guān)的社區(qū)和論壇、與其他FPGA開(kāi)發(fā)者交流經(jīng)驗(yàn)和心得。這些都將為學(xué)習(xí)FPGA提供寶貴的資源和支持。希望每個(gè)學(xué)習(xí)FPGA的人都能成為大牛，設(shè)計(jì)出自己的完美電路。