为什么FPGA难学？一文详解FPGA入门指南

为什么FPGA难学？一文详解FPGA入门指南

FPGA（现场可编程门阵列）作为一种重要的可编程逻辑器件，在现代电子系统设计中扮演着越来越重要的角色。然而，对于许多初学者来说，FPGA的学习之路充满了挑战。本文将深入探讨为什么FPGA难学，并为想要入门FPGA的读者提供详细的指导和建议。

为什么FPGA难学？

1. 不熟悉FPGA的内部结构

FPGA之所以可以编程，是因为其内部结构的独特设计。FPGA主要由三部分组成：可编程逻辑单元、可编程连线和可编程IO模块。其中，可编程逻辑单元是通过存储器（如SRAM、Flash等）制成的4输入或6输入1输出的“真值表”加上一个D触发器构成。这些“真值表”内部值就是01编码，通过修改这些编码可以实现不同的逻辑功能。不了解FPGA的内部结构，就无法理解最终代码是如何转化为FPGA内部的逻辑功能的。

2. 错误理解HDL语言

硬件描述语言（HDL）如Verilog HDL和VHDL，本质上是用来描述硬件电路的，而不是设计硬件。很多人在学习时容易将其与软件编程语言混淆，导致无法正确理解硬件结构。在FPGA设计中，使用HDL描述寄存器传输级电路，然后通过FPGA开发软件转化为门级电路或其他结构的电路。因此，理解HDL背后所对应的硬件电路结构至关重要。

3. 忽视数字逻辑知识

无论是FPGA的哪个方向，都离不开数字逻辑知识的支撑。FPGA本质上是一种实现数字逻辑的方式，如果连最基本的数字逻辑知识都有问题，学习FPGA的愿望只能是徒有空想。数字逻辑是任何电子电气类专业的专业基础知识，也是必须要学好的一门课。

如何入门FPGA？

1. 掌握HDL语言

• 选择语言：建议先学习Verilog HDL，因为它设计运用比较灵活，类似于C语言。而且国内80%的企业FPGA工程师研发使用的都是Verilog HDL。
• 学习方法：跟着实例敲代码，熟悉语法规则和编译器。编译完代码后，要查看RTL图，理解综合出来的电路结构。

2. 独立完成中小规模的数字电路设计

• 推荐教材：夏宇闻教授的《Verilog 数字系统设计教程》
• 实践建议：设计一些具体的数字电路，如交通灯、电子琴等。使用开发板进行实践，推荐Intel Altera的Cyclone IV系列或Xilinx的Spantan 6。

3. 掌握设计方法和设计原则

• 学习内容：同步设计原则、优化电路、时钟树设计等
• 参考资料：《简谈FPGA的片内资源》、《FPGA STA(静态时序分析)》等

4. 提高开发效率

• 工具推荐：使用Vs Code或Notepad++进行代码编辑，学习TCL编写DO文件进行自动化仿真
• 版本控制：掌握Git进行代码管理

5. 增强理论基础

根据个人兴趣方向，学习相关理论知识。例如：

• 信号处理相关：《信号与系统》、《数字图像处理》等
• 无线通信相关：《通信原理》、《数字信号处理》等
• CPU设计相关：《计算机体系结构》、《编译原理》等

6. 学会使用MATLAB仿真

• 应用场景：设计FPGA算法时，可以使用MATLAB进行CRC系数矩阵、数字滤波器系数等的计算
• 推荐教材：杜勇的《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》

7. 足量的实践

• 实践建议：针对自己的方向，做一定量的实践。例如，通信类的可以做调制解调算法，仪表类的可以做总线分析仪等
• 文档习惯：保持良好的代码风格，增加元件例化语句的可读性，绘制流程图/时序图，撰写文档

8. 图像处理方向

• 学习路径：从Photoshop入门，到基于MATLAB或OpenCV的图像处理，再到基于FPGA的图像处理
• 推荐教材：《冈萨雷斯数字图像处理MATLAB版》、《基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计》等

9. 模电方向

• 学习内容：电路分析、模拟电子技术、高频电子线路、PCB设计、EMC、SI、PI等

10. 软件方向

• 学习内容：ARM、DSP、Linux、上位机等

结语

FPGA的学习之路虽然充满挑战，但只要掌握了正确的方法和持续的努力，就能够逐步掌握这一强大的技术工具。希望本文能够为想要入门FPGA的读者提供有价值的参考和指导。