《电子技术应用》

为什么说学好FPGA 首先要掌握HDL

2018/5/30 5:00:00

  入门首先要掌握HDL(HDL=verilog+VHDL

  第一句话是:还没学数电的先学数电。然后你可以选择verilog或者VHDL,有C语言基础的,建议选择VHDL。因为verilog太像C了,很容易混淆,最后你会发现,你花了大量时间去区分这两种语言,而不是在学习如何使用它。当然,你思维能转得过来,也可以选verilog,毕竟在国内verilog用得比较多。

  接下来,首先找本实例抄代码。抄代码的意义在于熟悉语法规则和编译器(这里的编译器是硅编译器又叫综合器,常用的编译器有:Quartus、ISE、Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Lattice的Diamond、Microsemi/Actel的Libero、Synplify pro),然后再模仿着写,最后不看书也能写出来。编译完代码,就打开RTL图,看一下综合出来是什么样的电路

  HDL是硬件描述语言,突出硬件这一特点,所以要用数电的思维去思考HDL,而不是用C语言或者其它高级语言,如果不能理解这句话的,可以看《什么是硬件以及什么是软件》。在这一阶段,推荐的教材是《Verilog传奇》、《Verilog HDL高级数字设计》或者是《用于逻辑综合的VHDL》。不看书也能写出个三段式状态机就可以进入下一阶段了。

  此外,你手上必须准备Verilog或者VHDL的官方文档,《verilog_IEEE官方标准手册-2005_IEEE_P1364》、《IEEE Standard VHDL Language_2008》,以便遇到一些语法问题的时候能查一下。

  二

  独立完成中小规模的数字电路设计

  现在,你可以设计一些数字电路了,像交通灯、电子琴、DDS等等,推荐的教材是夏老《Verilog 数字系统设计教程》(第三版)。在这一阶段,你要做到的是:给你一个指标要求或者时序图,你能用HDL设计电路去实现它。这里你需要一块开发板,可以选Altera的cyclone IV系列,或者Xilinx的Spantan 6。还没掌握HDL之前千万不要买开发板,因为你买回来也没用。这里你没必要每次编译通过就下载代码,咱们用modelsim仿真(此外还有QuestaSim、NC verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具),如果仿真都不能通过那就不用下载了,肯定不行的。在这里先掌握简单的testbench就可以了。推荐的教材是《WRITING TESTBENCHESFunctional Verification of HDL Models》。

  三

  掌握设计方法和设计原则

  你可能发现你综合出来的电路尽管没错,但有很多警告。这个时候,你得学会同步设计原则、优化电路,是速度优先还是面积优先,时钟树应该怎样设计,怎样同步两个异频时钟等等。推荐的教材是《FPGA权威指南》、《IP核芯志-数字逻辑设计思想》、《Altera FPGA/CPLD设计》第二版的基础篇和高级篇两本。学会加快编译速度(增量式编译、LogicLock),静态时序分析(timequest),嵌入式逻辑分析仪(signaltap)就算是通关了。如果有不懂的地方可以暂时跳过,因为这部分还需要足量的实践,才能有较深刻的理解。

  四

  学会提高开发效率

  因为Quartus和ISE的编辑器功能太弱,影响了开发效率。所以建议使用Sublime text编辑器中代码片段的功能,以减少重复性劳动。Modelsim也是常用的仿真工具,学会TCL/TK以编写适合自己的DO文件,使得仿真变得自动化,推荐的教材是《TCL/TK入门经典》。你可能会手动备份代码,但是专业人士都是用版本控制器的,所以,为了提高工作效率,必须掌握GIT。文件比较器Beyond Compare也是个比较常用的工具。此外,你也可以使用System Verilog来替代testbench,这样效率会更高一些。如果你是做IC验证的,就必须掌握System Verilog和验证方法学(UVM)。推荐的教材是《Writing Testbenches usingSystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012语法手册》。

  掌握了TCL/TK之后,可以学习虚拟Jtag(ISE也有类似的工具)制作属于自己的调试工具,此外,有时间的话,最好再学个python。脚本,意味着一劳永逸。

  五

  增强理论基础

  这个时候,你已经会使用FPGA了,但是还有很多事情做不了(比如,FIR滤波器、PID算法、OFDM等),因为理论没学好。我大概地分几个方向供大家参考,后面跟的是要掌握的理论课。

  1、信号处理——信号与系统、数字信号处理、数字图像处理、现代数字信号处理、盲信号处理、自适应滤波器原理、雷达信号处理

  2、接口应用——如:UART、SPI、IIC、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太网接口)、SATA、光纤、DisplayPort

  3、无线通信——信号与系统、数字信号处理、通信原理、移动通信基础、随机过程、信息论与编码

  4、CPU设计——计算机组成原理、单片机、计算机体系结构、编译原理

  5、仪器仪表——模拟电子技术、高频电子线路、电子测量技术、智能仪器原理及应用

  6、控制系统——自动控制原理、现代控制理论、过程控制工程、模糊控制器理论与应用

  7、压缩、编码、加密——数论、抽象代数、现代编码技术、信息论与编码、数据压缩导论、应用密码学、音频信息处理技术、数字视频编码技术原理

  现在你发现,原来FPGA会涉及到那么多知识,你可以选一个感兴趣的方向,但是工作中很有可能用到其中几个方向的知识,所以理论还是学得越多越好。如果你要更上一层,数学和英语是不可避免的。

  六

  学无止境

  能到这个境界,说明你已经很厉害了,但是还有很多东西要学的,因为FPGA常常要跟CPU交互,也就是说你得经常跟软件工程师交流,所以也得懂点软件方面的知识。比如ARM(Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC会用到ARM的硬核,请参考本博客的《如何学习嵌入式软件》)、DSP、Linux、安卓、上位机(QT、C#、JAVA)都可以学一下,反正学无止境的。


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