第一章 FPGA知识大串讲01_学习误区

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第一章  FPGA知识大串讲01_学习误区

作者：潘文明
本文为明德扬原创文章，转载请注明出处！

学习FPGA，笔者推崇的学习方法是先整体再局部。先对FPGA 有一个整体的认识，包括知道有哪些知识点，这些知识点所处的位置和作用。然后在此基础上再逐个突破。

FPGA知识大串讲是一个系列文章，先概括性地将FPGA的知识点串联起来，使读者对FPGA有一个整体的认识，为后续的各项学习打下坚实基础。

本系列文章由6篇文章组成。第一篇文章阐述大部分同学的学习误区。第二篇文章，介绍了FPGA所有的知识点，并将其串联起来。剩下的4篇文章，是对所有知识的分别概述，其内容包括：组合逻辑、D触发器、时序逻辑和FPGA 时序。

首先我们看一下学习误区。


第1节 误区1：学习语法过多
大部分初学者最大的学习误区就是花费大量的时间用于VERILOG语法的语法，并作为学习的重点。

入门就看VERILOG，相信这是很多读者入门FPGA的普遍做法，甚至，甚至部分同学花了几个月时间用来学习语法。

但其实VERILOG 里面的语法百分之九十的是用来测试用的，设计仅仅用到其中10%的语法，而且设计语法非常之简单，大部分代码是由一个一个always、assign和例化等组成的

上图是实现FPGA例化功能的代码，将模块test_edge放到本模块中来，其作用类似于C语言的函数调用，其语法亦相似，将接口信号一个一个关联起来即可。还未掌握例化语法的读者，可以自行查找相关知识。

FPGA的设计，通过使用ALWAYS的格式来实现。ALWAYS格式有两种，时序逻辑的ALWAYS和组合逻辑的ALWAYS，其结构如下。

当要实现不同功能时，在ALWAYS格式里，添加if else，以及加减乘除、逻辑运算等即可，如下面的代码





上面实现串口接收功能、一个典型的FPGA代码。第1至38行是接口、信号的定义，其他则是主体的设计部分。由上面代码可以看出FPGA的代码有以下几个特点。

Ø  FPGA代码由多个结构简单、相似的ALWAYS和ASSIGN组成的。本例中一共用到了8个ALWAYS语句和7个ASSIGN语句，除此之外没有其他结构。复杂点的FPGA代码，亦仅是多了一个例化功能。

Ø  每个ALWAYS块只用到简单的语法，均是由if else，以及加减乘除、逻辑判断等基本操作。没有复杂的东西，相信具有C语言基础的读者，一般能读懂，或者能猜到大概功能。

Ø  除了第一个简单的ALWAYS之外，其他每个ALWAYS只设计一个信号。例如，第53至62行只设计cnt0，第92至98行只设计dout信号。这是至简设计法的一大特色，这样的设计才符合硬件设计的特点。这不是没有根据的，规范的企业如华为海思、中兴等，均是如此风格的代码。

由此可见，VERILOG语法是非常简单的。虽然语法简单，但如何通过简单的if else以及加减乘除，就实现强大的FPGA功能，这又很不简单，所以不同于学习C、C++等软件语言，学习FPGA没有必要花太多的精力于语法上，关键在于应用。





第2节 误区2：追求代码精简
钻研VERILOG语法，追求使用最少的代码实现功能，这又是一个大误区。

放在C、C++、JAVA等语言上，追求精简的代码实现，是一个正常的需求。但放在FPGA，则完全不是这回事。

衡量FPGA设计优秀的标准，不是看代码量的多少，而是比较综合出来的电路，它使用了多少资源，能够支持的时钟频率高低等。

例如一个加法器，在200M的时钟频率下，可以直接使用“+”来实现。但假如要跑到300M或者更高频率，业界会把该加法器拆分成多个逻辑门，并且在逻辑门之间增加寄存器(即流水线设计)。这样设计，代码会由原来的1行，变成上百行，并且难以读懂。虽然代码量增加了，但电路却更优秀了。

总而言之，不要追求VERILOG代码的精简，而是追求电路的优秀设计，多学习流水线、资源换速度、速度换资源等设计方式，这才是好的FPGA学习方向。





第3节 误区3：肤浅的实验
通过开发板学习FPGA是一个较好的入门方法，例如MDY的ALTERA学习板MP801、XILINX学习板MP802，既有LED灯、数码管、VGA等简单接口，还有SDRAM、DDR、千兆网等高级接口，其拥有大量免费的学习资源，包括工程、视频、文档等，是学习FPGA非常好的方法。

但部分读者拿到学习工程后，每个工程都是新建工程、编译工程、上板、看现象，仅此而已。实验做了很多，设计能力却提高得很慢。因为这里缺少关键的一步：自己去写代码。

读懂功能要求后，要亲自去写一写代码，边写边仿真，边仿真边修改。写不出来的时候，对着仿真波形多思考思考。通过这种方法，训练代码设计能力、仿真调试能力，掌握MODELSIM等工具的使用。

代码完成设计后，上板验证，这个时候现象大概率是不正确的，使用在线调试工具去定位问题找到问题。通过这种方法，训练定位问题能力、解决问题能力，掌握在线调试工具的使用。

最后，将自己设计的代码，与开发板的官方代码对比，吸收好的方面，改进自己的设计能力。

按照上面步骤，当您亲自完成一个功能设计，获得极大成就感和满足感的同时，设计能力也切实得到了提高，这样几个设计循环上来，基本上就掌握FPGA设计了。





第4节 误区5：软件思维
VERILOG是硬件描述语言，它是对硬件的描述，而非软件的设计。FPGA开发本质上是硬件的开发，与设计电路原理图是相似的，因此要用硬件思维。而C、C++、JAVA等语言是软件开发，使用的是软件思维。

有C语言基础的同学，很容易按照软件思维来进行FPGA设计，这是不正确的一种思想。那么，硬件思维和软件思维本质上有什么不同呢？

我们先看下软件是如何设计的。

上面4行是软件代码，先让a为1；然后让b=a+1,即让b为2；再让a为2；最后c=a+2，即让c为4。这有什么特色？

Ø  软件代码是一行一行顺序执行的；

Ø  软件是一种过程设计，是让信号怎么做、怎么变的设计。

Ø  软件考虑的是此时此刻，该信号要怎么做。



而硬件设计思维，我们可以通过MP801开发板的电路设计为例进行阐述。

假设我们要设计一款MP801开发板，这个开发板使用了多个元器件，例如有FPGA主芯片、AD、DA、数码管、按键等。每个元器件都有它自己独特的功能。

首先，每个元器件不一定有输入，但一定会有输出。例如，晶振输出50M时钟；当按下按键时，电平输出为0，未按下时输出为1；数码管的输出，则是颜色的发光状态等。

其次，每个元器件通常都有一个数据手册，该手册描述的是该元器件的输出功能，即在什么样情况下，会有怎么样的输出。以晶振为例，文档一般会说明电源电压为多少，然后输出50M的时钟信号。再以AD9280为例，文档会说明输入二进制值为多少时，输出什么样的电平，例如值为8’h00时，输出电压为0V；值为8’hff时，输出电压为5V等。

再次，您可以发现，每个数据手册一定会说明清楚，在所有的情况下，输出会有什么样的变化。

最后，当选中了元器件后，硬件工程师的工作，就是把它们正确地连起来。

当电路板开发并生产完成后，一通电，全部元器件都同时在工作。不存在说某个元器件工作，另一个元器件不工作的情况(这里不工作是指不通电的情况，而不是不变化。事实上，不变化也是该元器件的一个输出功能)。当然，更不存在，此时元器件A工作，元器件B消失的情况，事实上，这些元器件是一直保持存在的。


上面就是硬件的设计过程，我们可以总结出硬件思维的特色。

Ø  硬件首先是描述一个“元器件”，它是什么，它有什么功能，即在什么情况下，有什么样的输出。软件是让它怎么做，过多久为1，过多久又为2等。这就是VERILOG这个硬件描述语言的特性，一个ALWAYS语句，就相当于一个“元器件”，每个ALWAYS都是描述“元器件”(设计信号)的变化情况。

Ø  描述一个“元器件”是什么时，就要概括所有的情况，就如数据手册般的清晰。对应的是FPGA的ALWAYS语句，其设计的信号，一定是所有条件if else下的变化。特别注意的是，不同于软件只考虑此时此刻值为多少，硬件和FPGA考虑的是“整个电路生命周期”下的各种情况处理方式。

Ø  当您选完了“元器件”后，就是把元器件连接起来。对应FPGA，则是通过相同“信号名”来接各个部分连接起来。

Ø  最后，一通电，全部“元器件”都同时工作了。对应FPGA，就是VERILOG代码会综合成电路网表，最终会下载到FPGA，像电路般全部同时运行。ALWAYS设计的各种信号是一直物理存在的。


认真体会软件思维和硬件思维的异同，有助于我们更好更规范地进行FPGA开发。同时，正确地理解硬件思维，对于一些错误观念和设计法，就有自己的判断了。

例1：有部分读者阅读VERILOG代码时，会想当然地认为begin 里面代码都是串行执行的，例如下面的代码，会认为按顺序从第2至11行顺序地串行执行。


从严格的意义上，笔者认为“顺序串行执行”这个概念是不正确的，FPGA本身就没有“执行”的概念。由前面讲述可知，ALWAYS仅是像数据手册那样，描述“元器件”cnt的功能，即描述cnt在所有情况下的变化情况。所以，正确的理解，应当是像读“数据手册”那般，“阅读”cnt的功能。

例2：大家可以看出下面代码，是按软件思维，还是按硬件思维设计的呢？

不用理解上面代码实现了什么功能，从风格上就可以看出其是用软件思维来设计的。可以猜想其写代码的过程，如先写第13行代码，让byte_satee加1；然后写第14至18行代码，让Pre_CMOS_iData变化，这怎么看起来，都像是软件的一种过程思维。其次，将多个信号放在一个ALWAYS中描述，就像将多个不同元器件都写在一个数据手册上，必定是杂乱无章，讲不清楚的。

比较规范的设计方法，推荐一个ALWAYS设计一个信号，如下面代码，就是实现了相似的功能。一个信号一个信号地描述设计，长期坚持，必定能写出越来越优秀的代码。