如何学习FPGA

队长-Leader

一、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（又叫综合器），常用的集成开发环境有：Intel的Quartus、Xilinx的ISE和Vivado、Design Compiler 、Synopsys的VCS、Linux下的iverilog、Lattice的Diamond、Microchip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 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《Verilog HDL应用程序设计实例精讲》。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 TESTBENCHES Functional 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》、《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Git的，可以提高工作效率。文件比较器Beyond Compare也是个比较常用的工具，Git也有比较功能。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 using SystemVerilog》、《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。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、多采样率信号处理、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、阵列信号处理

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、HDMI、AHB

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、RISC-V

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、H.265

   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、学会使用MATLAB仿真。

    设计FPGA算法的时候，多多少少都会用到MATLAB，比如CRC的系数矩阵、FFT、数字滤波器系数、各种表格和文本处理等。此外，MATLAB还能用于调试HDL（用MATLAB的计算结果跟用HDL算出来的一步步对照，可以知道哪里出问题）。推荐的教材是《MATLAB宝典》和杜勇的《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》。

七、足量的实践。

   这个时候你至少读过几遍芯片手册（官网有），然后可以针对自己的方向，做一定量的实践了（期间要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，撰写文档的习惯）。比如：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等。不过这些算法，在书上只是给了个公式、框图而已，跟实际的差距很大，你甚至会觉得书上的东西都很肤浅。那么，你可以在知网、百度文库、EETOP论坛、opencores、ChinaAET、SCI-HUB、Q群共享、博客上面找些相关资料（校外的朋友可以在淘宝买个知网账号）。其实，当你到了这个阶段，你已经达到了职业级水平，有空就多了解一些前沿技术，这将有助于你的职业规划。

    在工作当中，或许你需要关注很多协议和行业标准，协议可以在EETOP上面找到，而标准（如：国家标准GB和GB/T，国际标准ISO和IEC）就推荐《标准网》和《标准分享网》。

八、图像处理。

1、Photoshop。花一、两周的时间学习PS，对图像处理有个大概的了解，知道各种图片格式、直方图、色相、通道、滤镜、拼接等基本概念，并能使用它。这部分是0基础，目的让大家对图像处理有个感性的认识，而不是一上来就各种各样的公式推导。推荐《Photoshop CS6完全自学教程》。

2、基于MATLAB或OpenCV的图像处理。有C/C++基础的可以学习OpenCV，否则的话，建议学MATLAB。这个阶段下，只要学会简单的调用函数即可，暂时不用深究实现的细节。推荐《数字图像处理matlab版》、《学习OpenCV》。

3、图像处理的基础理论。这部分的理论是需要高数、复变、线性代数、信号与系统、数字信号处理等基础，基础不好的话，建议先补补基础再来。看不懂的理论也可以暂时先放下，或许学到后面就自然而然地开窍了。推荐《数字图像处理》。

4、基于FPGA的图像处理。把前面学到的理论运用到FPGA上面，如果这时你有前面第七个阶段的水平，你将轻松地独立完成图像算法设计（图像处理是离不开接口的，上面第五个阶段有讲）。如果你没有开发板，请参考《Verilog读取bmp图片》。推荐《基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计》、《基于FPGA的数字图像处理原理及应用》。

5、进一步钻研数学。要在算法上更上一层，必然需要更多的数学，所以这里建议学习实分析、泛涵分析、小波分析等。

九、数电的尽头是模电。

   现在FPGA内部的事情是难不到你的，但是信号出了FPGA，你就没法控制了。这个时候必须学好模电。比如：电路分析、模拟电子技术、高频电子线路、PCB设计、EMC、SI、PI等等，能设计出一块带两片DDR3的FPGA开发板，就算通关了。具体的学习路线可以参考本博客的《如何学习硬件设计——理论篇》和《如何学习硬件设计——实践篇》。

十、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、上位机（QT、C#）都可以学一下，反正学无止境的。

十一、其它问题。

a、为什么不推荐学习NIOS II和MicroBlaze等软核？

  1、性价比不高，一般的软核性能大概跟Cortex M3或M4差不多，用FPGA那么贵的东西去做一个性能一般的CPU，在工程上是非常不划算的。不如另外加一块M3。

  2、加上软核，可能会影响到其它的逻辑的功能。这是在资源并不十分充足的情况下，再加上软核，导致布局布线变得相当困难。

  3、软核不开源，出现Bug的时候，不容易调试。

  4、工程上很少使用，极有可能派不上用场。

b、为什么不推荐0基础学习ZYNQ或SOC？

  1、容易让人有傍同心理。傍同心理是指一个人通过渲染与自己有亲近关系的人的杰出，来掩盖和弥补自己在这方面的不足，从而获得心理上的平衡。自己在学习很厉害的东西，然后也感觉自己很厉害，但这只是错觉而已。

  2、入门应该学习尽量简单的东西，要么专心学习ARM，要么专心学习FPGA。这样更容易有成就感，增强信心。

  3、开发工具编译时间长，浪费较多时间。

  4、绝大多数工作，都只是负责一方面，也就是说另一方面，很有可能派不上用场。

c、为什么已经存在那么多IP核，仍然需要写HDL？

  1、IP核并非万能，不能满足所有需求。

  2、尽量少用闭源IP核，一旦出问题，这种黑匣子很可能让产品难产。

  3、深入理解底一层次，可以更好地使用高一层次。该法则可以适用于所有编程语言。

d、对于入行的建议？

    建议读个研究生，否则可能没法进行这个行业。

f、推荐一些微电子的教学视频。

  可以参考本博客的《微电子教学视频--Silicon Run等》。