今天再啰嗦點(diǎn)玄學(xué) - fpga的設(shè)計(jì)流程，因?yàn)椤傲鞒獭蔽覀儗W(xué)習(xí)任何一門技術(shù)都必須事先清楚的重要信息。

還是先劃一下重點(diǎn) - 我們應(yīng)該學(xué)什么？想一下如果你要去駕校學(xué)開車，什么是你的重點(diǎn)？開車的一系列要領(lǐng)和技術(shù)還是你用來學(xué)習(xí)駕駛的車的按鈕的操作？顯然是前者，雖然市場上的車有幾十上百個(gè)不同的型號(hào)，多數(shù)的駕校都用桑塔納來當(dāng)教練車，基于的前提就是所有的車支持你在路上行駛的功能（換擋、加速、剎車、后視鏡、方向盤）都是齊備的，主要的不同點(diǎn)在于這些功能按鈕擺放的位置不同。

因此當(dāng)你要駕駛一輛從未摸過的車，你心里并不緊張，因?yàn)槟阋呀?jīng)學(xué)會(huì)了駕駛，而且知道所有的車操作起來都大同小異，只要花5分鐘看一下說明書，熟悉一下各個(gè)功能的按鈕在哪里就可以上路了。

設(shè)計(jì)FPGA和畫PCB道理也是如此 - 我們要清楚地知道你需要掌握的技術(shù)是什么？運(yùn)用這些技術(shù)需要的步驟、流程是什么？包括哪些環(huán)節(jié)？把這些搞清楚了，無論你用哪家的平臺(tái)、哪家的工具，就像換一輛不同品牌的車一樣都可以在簡單地對(duì)應(yīng)之后從容操作。

因此，要學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)FPGA，第一件要做的事情就是FPGA設(shè)計(jì)和使用要經(jīng)歷哪些環(huán)節(jié)、流程？每個(gè)環(huán)節(jié)的注意事項(xiàng)是什么？

下面是一個(gè)簡單的FPGA設(shè)計(jì)Flow（流程）示意圖。

我們來看看每一步都要做什么事情：

設(shè)計(jì)定義：雖然貌似跟器件還沒打交道，這一步卻是整個(gè)過程中最重要的，它是將你的需求轉(zhuǎn)化為具體的邏輯功能實(shí)現(xiàn)的過程。比如你要設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈的控制邏輯，我建議你去馬路邊蹲十分鐘，仔細(xì)觀察十字路口的交通燈的變化方式，用你自己的語言把每個(gè)狀態(tài)以及各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換方式、導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)換的條件等描述清楚，將這些用筆在紙上畫出來，不漏掉任何一個(gè)細(xì)節(jié)，做到這點(diǎn)，你的邏輯其實(shí)已經(jīng)出來了。后面的步驟都是工具要做的事情 - 將你腦子里的邏輯轉(zhuǎn)變成用FPGA芯片執(zhí)行的邏輯，并通過板子上的按鍵、LED指示燈等表現(xiàn)出來而已。復(fù)雜的任務(wù)就需要進(jìn)行分解，就像你有一個(gè)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中的每一個(gè)角色承擔(dān)不同的職能，既要定義好每個(gè)角色的功能，又要定義好他們之間的關(guān)聯(lián)方式，也就是你需要將要實(shí)現(xiàn)的邏輯功能自上而下（Top Down）地分解為多個(gè)功能模塊（module），把每個(gè)模塊之間的接口信號(hào)及相應(yīng)的時(shí)序關(guān)系定義清楚；

告訴機(jī)器該怎么做：將你紙上畫好的邏輯關(guān)系用計(jì)算機(jī)工具軟件能夠理解的語言方式撰寫清楚，這個(gè)過程叫邏輯輸入，使用的方式可以是原理圖（最古老、直觀的方式）或者一些硬件描述語言 - Verilog、System Verilog、VHDL、System C等。在我們的教程中用的是Verilog這種硬件描述語言（HDL），做過PCB設(shè)計(jì)的同學(xué)肯定會(huì)覺得這個(gè)過程很類似繪制原理圖；

通過驗(yàn)證確保機(jī)器的理解跟你想的一致：在用這些機(jī)器語言表述你的邏輯的時(shí)候你要確保機(jī)器理解的跟你自己理解的是一致的，如何才能做到這一點(diǎn)？我們聰明的工程師發(fā)明了“Simulation（仿真）”這么個(gè)過程，給出一些輸入條件，看機(jī)器理解的結(jié)果是不是如你預(yù)期的一樣，如果有出入，那就是你們之間的溝通有問題，也就是你用它的語言表述的不夠清晰、準(zhǔn)確，你需要進(jìn)行調(diào)整；類比PCB設(shè)計(jì)，這個(gè)過程類似你設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬電路之后需要運(yùn)行Spice工具對(duì)你設(shè)計(jì)的電路以及相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證一樣。很多人省去了這個(gè)過程，把風(fēng)險(xiǎn)留給了后面；

讓機(jī)器生成一個(gè)“它”理解的邏輯，這一步叫邏輯綜合，當(dāng)然得到的結(jié)果是機(jī)器能夠理解的抽象的關(guān)系圖，基于這個(gè)關(guān)系圖機(jī)器就可以在下一步自動(dòng)根據(jù)FPGA的內(nèi)部資源進(jìn)行具體的功能分配了。到現(xiàn)在為止還沒有跟具體的FPGA器件發(fā)生任何關(guān)系，這就類似PCB設(shè)計(jì)中基于繪制的原理圖生成了Netlist一樣。

針對(duì)具體的FPGA器件進(jìn)行資源分配 - 我們叫Implementation，也可以叫Place & Route（中文意思是布局布線，跟PCB中的過程類似）。這個(gè)過程就與你選用的哪家的器件、哪個(gè)類別的器件、哪個(gè)型號(hào)的器件，乃至哪個(gè)速度等級(jí)的器件都有關(guān)系了，在資源分配的過程中你一定要給出讓計(jì)算機(jī)分配資源的約束條件，除了你選用的具體的器件本身的資源限制以外，你要指定在邏輯中的哪個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)在哪個(gè)管腳上，從一個(gè)管腳到另一個(gè)管腳之間的最大延時(shí)是多少等等，這就類似PCB布局布線的時(shí)候你一定要根據(jù)加工廠提供的需求設(shè)定每根走線的寬度、線間距、過孔的大小等design rule一樣。道理都是一致的，面對(duì)具體的器件，你不能隨心所欲。

每次完成布局布線，因?yàn)椴煌瑥S商的不同型號(hào)的器件其內(nèi)部的構(gòu)成架構(gòu)是不同的，因此需要再次驗(yàn)證將你的邏輯映射到具體的器件的具體資源里面以后，它干的活是不是滿足你的要求，不僅要求其實(shí)現(xiàn)你需要的功能，更要要求其滿足你要求的性能，也就是說內(nèi)部的這些功能塊乃至每個(gè)門之間的時(shí)序配合要滿足你的要求，否則在實(shí)際的系統(tǒng)中就會(huì)出亂子的。這就像國慶閱兵，每個(gè)部隊(duì)在拉到長安街之前要經(jīng)過嚴(yán)格的演練，要做各種演習(xí)，驗(yàn)證你的每一個(gè)環(huán)節(jié)都配合得天衣無縫。

一切都完美 - perfect，生成一個(gè)最高指示 - bit stream，發(fā)送到你選中的fpga芯片配置的PROM中，每次FPGA加上電以后就調(diào)用這些PROM中的最高指示，將其內(nèi)部的資源配置成最高指示想要的模樣，任勞任怨地干活唄。

這個(gè)流程清楚了吧？每家的FPGA都得遵循這個(gè)過程，無論是其中的貴族還是貧民，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的規(guī)則都是一樣的。

還是那話，無論是Lattice的Diamond，Intel的Quartus，亦或是Xilinx的Vivado，都是“大同”的 - 都要具備這些功能，都要遵循這些流程，不同的就是有的搞得簡約一些，有得搞得華麗一些，每個(gè)按鈕點(diǎn)一點(diǎn)，每個(gè)輸出的結(jié)果看一看，就清楚他們之間的“小異”了。

不要再宣稱我只會(huì)用Xilinx的Vivado、我只會(huì)用Altium的AD，這只能說明你沒有真正掌握設(shè)計(jì)的核心。