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FPGA進階篇

印寧華|Indining China|

2024-07-24 15:56:37 768

本篇為之前“FPGA基礎篇”姊妹篇

1. 硬件描述語言——Verilog + VHDL

首先，要掌握數字電路原理。學習數字電路原理是邁出的*步。在掌握數字電路原理之前，必須先了解基礎知識。然后，你可以選擇學習Verilog或者VHDL。如果你已經掌握了C語言基礎，建議選擇VHDL。因為Verilog與C語言相似度較高，容易混淆，最終會發現自己花費了很多時間去區分這兩種語言，而不是學習如何使用它們。當然，你也可以選擇Verilog，畢竟Verilog的應用比較廣泛。

接下來，找到一個示例來復制代碼。復制代碼的目的是熟悉語法規則和編譯器。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，所以要以數字電路的思維來思考HDL，而不是使用C或其他*語言。

2. 獨立完成小型和中型數字電路設計

現在，你可以設計一些數字電路，比如電子吉他、交通信號燈、DDS等。在這個階段，你要做的只是根據規范要求或時序圖，在HDL中設計電路以實現它。你需要一個開發板，在掌握HDL之前不需要購買開發板。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、掌握設計方法和設計原則

到這里你會發現，你的電路雖然是正確的，但會提示很多警告。這時候，你需要學會同步設計原則，優化電路，無論是優先速度還是優先面積，時鐘樹應該如何設計，如何同步兩個異頻時鐘等等。學會加快編譯、靜態時序分析、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跳過，因為這部分也需要足夠的練習，才能有更深的理解。

4、學會提高開發效率

因為Quartus和ISE編輯器功能較弱，影響了開發效率。因此建議使用Sublime文本編輯器中的代碼片段功能，減少重復工作。ModelSim也是一種常見的仿真工具，學習TCL/TK編寫自己的DO文件使仿真自動化。你可能會手動備份你的代碼，但專業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，這樣會更加高效。如果你正在做IC驗證，你必須掌握System Verilog和驗證方法論（UVM）。

掌握了TCL/TK之后，你可以學習虛擬JTAG（ISE也有類似的工具），制作自己的調試工具。另外，如果有時間，最好學習一些Python腳本，這樣可以一勞永逸。

5、加強理論基礎

此時，你已經可以使用FPGA了，但仍有許多事情做不到（例如FIR濾波器、PID算法、OFDM等），因為理論學得不夠扎實。我們將大致分成幾個方向供你參考，然后跟隨理論課來掌握。

1、信號處理——信號與系統、數字信號處理、數字圖像處理、現代數字信號處理、盲信號處理、自適應濾波器原理、雷達信號處理。

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

3、無線通信——信號與系統、數字信號處理、通信原理、移動通信基礎、隨機過程、信息論與編碼。

4、CPU設計——計算機組成原理、微控制器、計算機體系結構、編譯原理。

5、儀器儀表——模擬電子學、高頻電子電路、電子測量技術、智能儀器原理與應用。

6、控制系統——自動控制原理、現代控制理論、過程控制工程、模糊控制器理論與應用。

7、壓縮、編碼、加密——數論、抽象代數、現代編碼技術、信息論與編碼、數據壓縮簡介、應用密碼學、音頻信息處理技術、數字視頻編碼技術原理。

現在你會發現，原來FPGA涉及這么多知識，你可以選擇一個感興趣的方向，但工作可能會涉及到幾個方向的知識，所以理論學得越多越好。

6、學會使用MATLAB仿真

在設計FPGA算法時，多少會用到MATLAB，也可以起到輔助FPGA視覺算法硬件化，比如CRC的系數矩陣、數字濾波器系數、各種表格和文本處理等。此外，MATLAB還可以用于調試HDL，通過將MATLAB的計算結果與HDL逐步計算進行對比，你可以知道哪里出了問題。

7、充分練習

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

例如：通信類可以做調制和解調算法，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公式、框圖，實際的差距很大，你甚至可能覺得書寫得很膚淺。實際上，當你達到這個階段時，你已經達到了專業水平，自由地了解一些前沿技術，這將有助于你的職業規劃。

8、圖像處理

1、Photoshop。花一兩周時間學習PS，對圖像處理有一個大致的了解，了解各種圖片格式、直方圖、色調、通道、濾鏡、拼接等基本概念，并能夠使用它。這部分是零基礎的，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出來的。

2、基于MATLAB或OpenCV的圖像處理。在這個階段，只要學習簡單的調用函數即可，暫時不必深究實現的細節。

3、圖像處理的基本理論。這部分理論需要較高的數學基礎，包括復變函數、線性代數、信號與系統、數字信號處理等基礎知識，如果基礎不好，建議先補足基礎再來。無法理解理論的也可以暫時放下，也許學習后自然就能有所啟發。

4、基于FPGA的圖像處理。將前面學到的理論應用到FPGA上，如果你已經達到了第七階段的水平，你將很容易獨立完成圖像算法的設計（圖像處理離不開接口，要求在第五階段以上）。

5、深入學習數學。要想在算法上達到更高的水平，必須需要更多的數學知識，所以這里建議學習實分析、廣義分析、小波分析等。

9、電子學的終點是模擬電子

現在，你對FPGA內部的東西已經不難了，但是FPGA輸出的信號卻無法控制。這時候就必須學好模擬電子。例如：電路分析、模擬電子學、高頻電子電路、PCB設計、EMC、SI、PI等，可以設計一塊帶有兩片DDR3的FPGA開發板，即使通關。

10、學習是個堅持的過程

能達到這個水平，說明你已經很不錯了，但是還有許多事情要學，因為FPGA經常需要與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會使用ARM硬核）。總之，學習是個長期堅持的事情。正因為技術無止境，所以FPGA工程師幾乎沒有年齡上的職業危機。所以，加油吧！

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