FPGA基礎知識之學習誤區(qū)

學習FPGA，筆者推崇的學習方法是先整體再局部。先對FPGA 有一個整體的認識，包括知道有哪些知識點，這些知識點所處的位置和作用。然后在此基礎上再逐個突破。

FPGA知識大串講是一個系列文章，先概括性地將FPGA的知識點串聯(lián)起來，使讀者對FPGA有一個整體的認識，為后續(xù)的各項學習打下堅實基礎。

本系列文章由6篇文章組成。第一篇文章闡述大部分同學的學習誤區(qū)。第二篇文章，介紹了FPGA所有的知識點，并將其串聯(lián)起來。剩下的4篇文章，是對所有知識的分別概述，其內容包括：組合邏輯、D觸發(fā)器、時序邏輯和FPGA 時序。

首先我們看一下學習誤區(qū)。

第1節(jié) 誤區(qū)1：學習語法過多

大部分初學者最大的學習誤區(qū)就是花費大量的時間用于VERILOG語法的語法，并作為學習的重點。

入門就看VERILOG，相信這是很多讀者入門FPGA的普遍做法，甚至，甚至部分同學花了幾個月時間用來學習語法。

但其實VERILOG 里面的語法百分之九十的是用來測試用的，設計僅僅用到其中10%的語法，而且設計語法非常之簡單，大部分代碼是由一個一個always、assign和例化等組成的

上圖是實現(xiàn)FPGA例化功能的代碼，將模塊test_edge放到本模塊中來，其作用類似于C語言的函數(shù)調用，其語法亦相似，將接口信號一個一個關聯(lián)起來即可。還未掌握例化語法的讀者，可以自行查找相關知識。

FPGA的設計，通過使用ALWAYS的格式來實現(xiàn)。ALWAYS格式有兩種，時序邏輯的ALWAYS和組合邏輯的ALWAYS，其結構如下。

當要實現(xiàn)不同功能時，在ALWAYS格式里，添加if else，以及加減乘除、邏輯運算等即可，如下面的代碼

上面實現(xiàn)串口接收功能、一個典型的FPGA代碼。第1至38行是接口、信號的定義，其他則是主體的設計部分。由上面代碼可以看出FPGA的代碼有以下幾個特點。

? FPGA代碼由多個結構簡單、相似的ALWAYS和ASSIGN組成的。本例中一共用到了8個ALWAYS語句和7個ASSIGN語句，除此之外沒有其他結構。復雜點的FPGA代碼，亦僅是多了一個例化功能。

? 每個ALWAYS塊只用到簡單的語法，均是由if else，以及加減乘除、邏輯判斷等基本操作。沒有復雜的東西，相信具有C語言基礎的讀者，一般能讀懂，或者能猜到大概功能。

? 除了第一個簡單的ALWAYS之外，其他每個ALWAYS只設計一個信號。例如，第53至62行只設計cnt0，第92至98行只設計dout信號。這是至簡設計法的一大特色，這樣的設計才符合硬件設計的特點。這不是沒有根據(jù)的，規(guī)范的企業(yè)如華為海思、中興等，均是如此風格的代碼。

由此可見，VERILOG語法是非常簡單的。雖然語法簡單，但如何通過簡單的if else以及加減乘除，就實現(xiàn)強大的FPGA功能，這又很不簡單，所以不同于學習C、C++等軟件語言，學習FPGA沒有必要花太多的精力于語法上，關鍵在于應用。

第2節(jié) 誤區(qū)2：追求代碼精簡

鉆研VERILOG語法，追求使用最少的代碼實現(xiàn)功能，這又是一個大誤區(qū)。

放在C、C++、JAVA等語言上，追求精簡的代碼實現(xiàn)，是一個正常的需求。但放在FPGA，則完全不是這回事。

衡量FPGA設計優(yōu)秀的標準，不是看代碼量的多少，而是比較綜合出來的電路，它使用了多少資源，能夠支持的時鐘頻率高低等。

例如一個加法器，在200M的時鐘頻率下，可以直接使用“+”來實現(xiàn)。但假如要跑到300M或者更高頻率，業(yè)界會把該加法器拆分成多個邏輯門，并且在邏輯門之間增加寄存器(即流水線設計)。這樣設計，代碼會由原來的1行，變成上百行，并且難以讀懂。雖然代碼量增加了，但電路卻更優(yōu)秀了。

總而言之，不要追求VERILOG代碼的精簡，而是追求電路的優(yōu)秀設計，多學習流水線、資源換速度、速度換資源等設計方式，這才是好的FPGA學習方向。

第3節(jié) 誤區(qū)3：膚淺的實驗

通過開發(fā)板學習FPGA是一個較好的入門方法，例如MDY的ALTERA學習板MP801、XILINX學習板MP802，既有LED燈、數(shù)碼管、VGA等簡單接口，還有SD RAM、DDR、千兆網(wǎng)等高級接口，其擁有大量免費的學習資源，包括工程、視頻、文檔等，是學習FPGA非常好的方法。

但部分讀者拿到學習工程后，每個工程都是新建工程、編譯工程、上板、看現(xiàn)象，僅此而已。實驗做了很多，設計能力卻提高得很慢。因為這里缺少關鍵的一步：自己去寫代碼。

讀懂功能要求后，要親自去寫一寫代碼，邊寫邊仿真，邊仿真邊修改。寫不出來的時候，對著仿真波形多思考思考。通過這種方法，訓練代碼設計能力、仿真調試能力，掌握MODELSIM等工具的使用。

代碼完成設計后，上板驗證，這個時候現(xiàn)象大概率是不正確的，使用在線調試工具去定位問題找到問題。通過這種方法，訓練定位問題能力、解決問題能力，掌握在線調試工具的使用。

最后，將自己設計的代碼，與開發(fā)板的官方代碼對比，吸收好的方面，改進自己的設計能力。

按照上面步驟，當您親自完成一個功能設計，獲得極大成就感和滿足感的同時，設計能力也切實得到了提高，這樣幾個設計循環(huán)上來，基本上就掌握FPGA設計了。

第4節(jié) 誤區(qū)5：軟件思維

VERILOG是硬件描述語言，它是對硬件的描述，而非軟件的設計。FPGA開發(fā)本質上是硬件的開發(fā)，與設計電路原理圖是相似的，因此要用硬件思維。而C、C++、JAVA等語言是軟件開發(fā)，使用的是軟件思維。

有C語言基礎的同學，很容易按照軟件思維來進行FPGA設計，這是不正確的一種思想。那么，硬件思維和軟件思維本質上有什么不同呢?

我們先看下軟件是如何設計的。

上面4行是軟件代碼，先讓a為1;然后讓b=a+1,即讓b為2;再讓a為2;最后c=a+2，即讓c為4。這有什么特色?

? 軟件代碼是一行一行順序執(zhí)行的;

? 軟件是一種過程設計，是讓信號怎么做、怎么變的設計。

? 軟件考慮的是此時此刻，該信號要怎么做。

而硬件設計思維，我們可以通過MP801開發(fā)板的電路設計為例進行闡述。

假設我們要設計一款MP801開發(fā)板，這個開發(fā)板使用了多個元器件，例如有FPGA主芯片、AD、DA、數(shù)碼管、按鍵等。每個元器件都有它自己獨特的功能。

首先，每個元器件不一定有輸入，但一定會有輸出。例如，晶振輸出50M時鐘;當按下按鍵時，電平輸出為0，未按下時輸出為1;數(shù)碼管的輸出，則是顏色的發(fā)光狀態(tài)等。

其次，每個元器件通常都有一個數(shù)據(jù)手冊，該手冊描述的是該元器件的輸出功能，即在什么樣情況下，會有怎么樣的輸出。以晶振為例，文檔一般會說明電源電壓為多少，然后輸出50M的時鐘信號。再以AD9280為例，文檔會說明輸入二進制值為多少時，輸出什么樣的電平，例如值為8’h00時，輸出電壓為0V;值為8’hff時，輸出電壓為5V等。

再次，您可以發(fā)現(xiàn)，每個數(shù)據(jù)手冊一定會說明清楚，在所有的情況下，輸出會有什么樣的變化。

最后，當選中了元器件后，硬件工程師的工作，就是把它們正確地連起來。

當電路板開發(fā)并生產完成后，一通電，全部元器件都同時在工作。不存在說某個元器件工作，另一個元器件不工作的情況(這里不工作是指不通電的情況，而不是不變化。事實上，不變化也是該元器件的一個輸出功能)。當然，更不存在，此時元器件A工作，元器件B消失的情況，事實上，這些元器件是一直保持存在的。

上面就是硬件的設計過程，我們可以總結出硬件思維的特色。

? 硬件首先是描述一個“元器件”，它是什么，它有什么功能，即在什么情況下，有什么樣的輸出。軟件是讓它怎么做，過多久為1，過多久又為2等。這就是VERILOG這個硬件描述語言的特性，一個ALWAYS語句，就相當于一個“元器件”，每個ALWAYS都是描述“元器件”(設計信號)的變化情況。

? 描述一個“元器件”是什么時，就要概括所有的情況，就如數(shù)據(jù)手冊般的清晰。對應的是FPGA的ALWAYS語句，其設計的信號，一定是所有條件if else下的變化。特別注意的是，不同于軟件只考慮此時此刻值為多少，硬件和FPGA考慮的是“整個電路生命周期”下的各種情況處理方式。

? 當您選完了“元器件”后，就是把元器件連接起來。對應FPGA，則是通過相同“信號名”來接各個部分連接起來。

? 最后，一通電，全部“元器件”都同時工作了。對應FPGA，就是VERILOG代碼會綜合成電路網(wǎng)表，最終會下載到FPGA，像電路般全部同時運行。ALWAYS設計的各種信號是一直物理存在的。

認真體會軟件思維和硬件思維的異同，有助于我們更好更規(guī)范地進行FPGA開發(fā)。同時，正確地理解硬件思維，對于一些錯誤觀念和設計法，就有自己的判斷了。

例1：有部分讀者閱讀VERILOG代碼時，會想當然地認為begin 里面代碼都是串行執(zhí)行的，例如下面的代碼，會認為按順序從第2至11行順序地串行執(zhí)行。

從嚴格的意義上，筆者認為“順序串行執(zhí)行”這個概念是不正確的，F(xiàn)PGA本身就沒有“執(zhí)行”的概念。由前面講述可知，ALWAYS僅是像數(shù)據(jù)手冊那樣，描述“元器件”cnt的功能，即描述cnt在所有情況下的變化情況。所以，正確的理解，應當是像讀“數(shù)據(jù)手冊”那般，“閱讀”cnt的功能。

例2：大家可以看出下面代碼，是按軟件思維，還是按硬件思維設計的呢?

不用理解上面代碼實現(xiàn)了什么功能，從風格上就可以看出其是用軟件思維來設計的?？梢圆孪肫鋵懘a的過程，如先寫第13行代碼，讓byte_satee加1;然后寫第14至18行代碼，讓Pre_CMOS_iData變化，這怎么看起來，都像是軟件的一種過程思維。其次，將多個信號放在一個ALWAYS中描述，就像將多個不同元器件都寫在一個數(shù)據(jù)手冊上，必定是雜亂無章，講不清楚的。

比較規(guī)范的設計方法，推薦一個ALWAYS設計一個信號，如下面代碼，就是實現(xiàn)了相似的功能。一個信號一個信號地描述設計，長期堅持，必定能寫出越來越優(yōu)秀的代碼。