小白學(xué)習(xí)FPGA必備的四個(gè)基礎(chǔ)知識

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，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)、開發(fā)周期短、邏輯可實(shí)時(shí)改變等優(yōu)勢，在數(shù)字信號處理、圖像處理、通信等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。對于新手而言，學(xué)習(xí)FPGA需要掌握一些基礎(chǔ)知識，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、或門、非門等，通過編程實(shí)現(xiàn)特定的功能。FPGA的編程是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的，存儲在存儲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的工作原理可以簡單理解為：通過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門的真值表，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、硬件描述語言（HDL）

HDL是硬件描述語言，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語言等高級編程語言有本質(zhì)區(qū)別，它是一種“描述”語言，用文本的方式把硬件電路描述出來。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)包括基本語法、代碼編寫、仿真工具的使用以及代碼調(diào)試技巧。通過練習(xí)編寫簡單的電路代碼，如LED閃爍、計(jì)數(shù)器等，可以加深對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、競爭、毛刺等基本概念。這些基礎(chǔ)知識對于理解FPGA內(nèi)部的工作原理、編寫正確的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)，需要理解各種門電路（如與門、或門、非門）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硬件電路實(shí)現(xiàn)出來。這是從菜鳥級別步入老鳥級別的關(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)來滿足系統(tǒng)要求；可以進(jìn)行流水線設(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)會用硬件的方式去解決問題。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，我們會盡可能的優(yōu)化代碼，讓代碼更簡潔更高效。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

FPGA的學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷積累和實(shí)踐的過程。通過掌握FPGA的基本概念與工作原理、學(xué)習(xí)硬件描述語言、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。