「超級干貨」初學者如何開始學習FPGA？

作為一名初學者，如果你始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內部結構，要想學會FPGA恐怕是天方夜譚。

FPGA為什么是可以編程的？

恐怕很多初學者不知道，他們也不想知道。因為他們覺得這是無關緊要的。他們潛意識的認為可編程嘛，肯定就是像寫軟件一樣啦。軟件編程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C語言或者其它軟件編程語言一樣。一條條的讀，一條條的分析。

如果始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內部結構，要想學會FPGA恐怕是天方夜譚。雖然現(xiàn)在EDA軟件已經非常先進，像寫軟件那樣照貓畫虎也能綜合出點東西，但也許只有天知道EDA軟件最后綜合出來的到底是什么。也許點個燈，跑個馬還行。這樣就是為什么很多菜鳥學了N久以后依然是一個菜鳥的原因。那么FPGA為什么是可以“編程”的呢？

首先，來了解一下什么叫“程”。

其實“程”只不過是一堆具有一定含義的01編碼而已。

編程，其實就是編寫這些01編碼。只不過我們現(xiàn)在有了很多開發(fā)工具運算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的，通常都不是直接編寫這些01編碼，而是以高級語言的形式來編寫，最后由開發(fā)工具轉換為這種01編碼而已。對于軟件編程而言，處理器會有一個專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號，然后控制其內部的電路完成一個個的讀，因為軟件的操作是一步一步完成的。而FPGA的可編程，本質也是依靠這些01編碼實現(xiàn)其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來再去控制一個運算電路，F(xiàn)PGA里面沒有這些東西。

FPGA內部主要三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊。

其次，再來了解下可編程的邏輯單元是什么？

其基本結構某種存儲器（SRAM、FLASH等）制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”加上一個D觸發(fā)器構成。任何一個4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對應的“真值表”，同樣的如果用這么一個存儲器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。這些“真值表”內部值是什么？就是那些01編碼而已。

如果要實現(xiàn)時序邏輯電路怎么辦？

這不有D觸發(fā)器嘛，任何的時序邏輯都可以轉換為組合邏輯+D觸發(fā)器來完成。但這畢竟只實現(xiàn)了4輸入1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規(guī)模那是相當?shù)拇笈丁?/span>

那怎么辦呢？

這個時候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲器控制的鏈接點，通過改寫對應存儲器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開的。這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實是FPGA作為芯片級使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個非專用引腳（FPGA中有專門的非用戶可使用的測試、下載用引腳）為輸入還是輸出，還可以對IO的電平標準進行設置。

總歸一句話，F(xiàn)PGA之所以可編程是因為可以通過特殊的01代碼制作成一張張“真值表”，并將這些“真值表”組合起來以實現(xiàn)大規(guī)模的邏輯功能。不了解FPGA內部結構，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無法深入的了解如何能夠充分運用FPGA。

現(xiàn)在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實現(xiàn)復雜的邏輯電路設計，是從菜鳥邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內部邏輯及其工作原理做起。

另外，F(xiàn)PGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外這一點恐怕也是很多學FPGA的初學者最難理解的地方。

FPGA是給誰用的？

很多學校解釋為給學微電子專業(yè)或者集成電路設計專業(yè)的學生用的，其實這不過是很多學校受資金限制，買不起專業(yè)的集成電路設計工具而用FPGA工具替代而已。

其實，F(xiàn)PGA是給設計電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個電子設備，如****、機頂盒、視頻監(jiān)控設備等。當現(xiàn)有芯片無法滿足系統(tǒng)的需求時，就需要用FPGA來快速的定義一個能用的芯片。前面說了，F(xiàn)PGA里面無非就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進行設計時無非就是考慮如何將這些以后資源組合起來實現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設計工程師那樣一直要關注到最后芯片是不是能夠被制造出來。

本質上和利用現(xiàn)有芯片組合成不同的電子系統(tǒng)沒有區(qū)別，只是需要關注更底層的資源而已。要想把FPGA用起來還是簡單的，因為無非就是那些資源，在理解了前面兩點再搞個實驗板，跑跑實驗，做點簡單的東西是可以的。

而真正要把FPGA用好，那光懂點FPGA知識就遠遠不夠。因為最終要讓FPGA里面的資源如何組合，實現(xiàn)何種功能才能滿足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識。

最后，推薦一個我覺得非常不錯的開源智能硬件開發(fā)平臺，還在學校的時候就用它開發(fā)過不少能用手機App/智能音箱控制的作品，平臺上還有sdk和電路原理圖可以查看，自己DIY智能硬件非常方便，也可以幫助你了解如何畫PCB。作為一名初學者，如果你始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內部結構，要想學會FPGA恐怕是天方夜譚。

FPGA為什么是可以編程的？

恐怕很多初學者不知道，他們也不想知道。因為他們覺得這是無關緊要的。他們潛意識的認為可編程嘛，肯定就是像寫軟件一樣啦。軟件編程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C語言或者其它軟件編程語言一樣。一條條的讀，一條條的分析。

如果始終拒絕去了解為什么FPGA是可以編程的，不去了解FPGA的內部結構，要想學會FPGA恐怕是天方夜譚。雖然現(xiàn)在EDA軟件已經非常先進，像寫軟件那樣照貓畫虎也能綜合出點東西，但也許只有天知道EDA軟件最后綜合出來的到底是什么。也許點個燈，跑個馬還行。這樣就是為什么很多菜鳥學了N久以后依然是一個菜鳥的原因。那么FPGA為什么是可以“編程”的呢？

首先，來了解一下什么叫“程”。

其實“程”只不過是一堆具有一定含義的01編碼而已。

編程，其實就是編寫這些01編碼。只不過我們現(xiàn)在有了很多開發(fā)工具運算或者是其它操作。所以軟件是一條一條的，通常都不是直接編寫這些01編碼，而是以高級語言的形式來編寫，最后由開發(fā)工具轉換為這種01編碼而已。對于軟件編程而言，處理器會有一個專門的譯碼電路逐條把這些01編碼翻譯為各種控制信號，然后控制其內部的電路完成一個個的讀，因為軟件的操作是一步一步完成的。而FPGA的可編程，本質也是依靠這些01編碼實現(xiàn)其功能的改變，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像軟件那樣將01編碼翻譯出來再去控制一個運算電路，F(xiàn)PGA里面沒有這些東西。

FPGA內部主要三塊：可編程的邏輯單元、可編程的連線和可編程的IO模塊。

其次，再來了解下可編程的邏輯單元是什么？

其基本結構某種存儲器（SRAM、FLASH等）制成的4輸入或6輸入1輸出地“真值表”加上一個D觸發(fā)器構成。任何一個4輸入1輸出組合邏輯電路，都有一張對應的“真值表”，同樣的如果用這么一個存儲器制成的4輸入1輸出地“真值表”，只需要修改其“真值表”內部值就可以等效出任意4輸入1輸出的組合邏輯。這些“真值表”內部值是什么？就是那些01編碼而已。

如果要實現(xiàn)時序邏輯電路怎么辦？

這不有D觸發(fā)器嘛，任何的時序邏輯都可以轉換為組合邏輯+D觸發(fā)器來完成。但這畢竟只實現(xiàn)了4輸入1輸出的邏輯電路而已，通常邏輯電路的規(guī)模那是相當?shù)拇笈丁?/span>

那怎么辦呢？

這個時候就需要用到可編程連線了。在這些連線上有很多用存儲器控制的鏈接點，通過改寫對應存儲器的值就可以確定哪些線是連上的而哪些線是斷開的。這就可以把很多可編程邏輯單元組合起來形成大型的邏輯電路。最后就是可編程的IO，這其實是FPGA作為芯片級使用必須要注意的。任何芯片都必然有輸入引腳和輸出引腳。有可編程的IO可以任意的定義某個非專用引腳（FPGA中有專門的非用戶可使用的測試、下載用引腳）為輸入還是輸出，還可以對IO的電平標準進行設置。

總歸一句話，F(xiàn)PGA之所以可編程是因為可以通過特殊的01代碼制作成一張張“真值表”，并將這些“真值表”組合起來以實現(xiàn)大規(guī)模的邏輯功能。不了解FPGA內部結構，就不能明白最終代碼如何變到FPGA里面去的。也就無法深入的了解如何能夠充分運用FPGA。

現(xiàn)在的FPGA，不單單是有前面講的那三塊，還有很多專用的硬件功能單元，如何利用好這些單元實現(xiàn)復雜的邏輯電路設計，是從菜鳥邁向高手的路上必須要克服的障礙。而這一切，還是必須先從了解FPGA內部邏輯及其工作原理做起。

另外，F(xiàn)PGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外這一點恐怕也是很多學FPGA的初學者最難理解的地方。

FPGA是給誰用的？

很多學校解釋為給學微電子專業(yè)或者集成電路設計專業(yè)的學生用的，其實這不過是很多學校受資金限制，買不起專業(yè)的集成電路設計工具而用FPGA工具替代而已。

其實，F(xiàn)PGA是給設計電子系統(tǒng)的工程師使用的。這些工程師通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一個電子設備，如****、機頂盒、視頻監(jiān)控設備等。當現(xiàn)有芯片無法滿足系統(tǒng)的需求時，就需要用FPGA來快速的定義一個能用的芯片。前面說了，F(xiàn)PGA里面無非就是一些“真值表”、觸發(fā)器、各種連線以及一些硬件資源，電子系統(tǒng)工程師使用FPGA進行設計時無非就是考慮如何將這些以后資源組合起來實現(xiàn)一定的邏輯功能而已，而不必像IC設計工程師那樣一直要關注到最后芯片是不是能夠被制造出來。

本質上和利用現(xiàn)有芯片組合成不同的電子系統(tǒng)沒有區(qū)別，只是需要關注更底層的資源而已。要想把FPGA用起來還是簡單的，因為無非就是那些資源，在理解了前面兩點再搞個實驗板，跑跑實驗，做點簡單的東西是可以的。

而真正要把FPGA用好，那光懂點FPGA知識就遠遠不夠。因為最終要讓FPGA里面的資源如何組合，實現(xiàn)何種功能才能滿足系統(tǒng)的需要，那就需要懂得更多更廣泛的知識。

最后，推薦一個我覺得非常不錯的開源智能硬件開發(fā)平臺，還在學校的時候就用它開發(fā)過不少能用手機App/智能音箱控制的作品，平臺上還有sdk和電路原理圖可以查看，自己DIY智能硬件非常方便，也可以幫助你了解如何畫PCB。

理論不及實踐,下面推薦一個開發(fā)平臺,親測好用:

https://auth.tuya.com/?_source=32fe8c33b5a2a7c071f562063e20fd8a

原文來源：硬件發(fā)燒友-知乎