電子發(fā)燒友App
任何領(lǐng)域從新手到專(zhuān)家都分5個(gè)階段：
探索期? ?入門(mén)期? ?勝任期? ?高手期? ?專(zhuān)家期
從入門(mén)期到勝任期再到高手期都是可以通過(guò)項(xiàng)目歷練而達(dá)到，但是從高手器到專(zhuān)家期一般由人的思維而決定。
這其中最難的就是入門(mén)期的新手入門(mén)階段，由于新手期的迷茫，特別是沒(méi)有高人指點(diǎn)的情況下，新手的學(xué)習(xí)狀態(tài)曲線呈現(xiàn)出波蕩起伏的趨勢(shì)：
新手學(xué)習(xí)曲線
新手們憑著興趣一腔熱血扎入到FPGA和Verilog的學(xué)習(xí)中去，一個(gè)個(gè)的難點(diǎn)使之挫折，直至厭惡懷疑：我為什么要學(xué)這？如果還能堅(jiān)持，經(jīng)過(guò)了這段低谷期后，你開(kāi)始慢慢找到感覺(jué)，然后逐漸開(kāi)竅：不過(guò)如此嘛！此刻激情已然褪去，自滿導(dǎo)致麻木，但是在你接觸到更多的項(xiàng)目后你才會(huì)領(lǐng)悟到：我還差得遠(yuǎn)呢！此刻你已經(jīng)入下一個(gè)快速提升期。
起步之后的專(zhuān)家之路同樣是起伏的曲線：
專(zhuān)家之路
緩慢起步期：往往對(duì)什么都有興趣，但是都不能深入的去學(xué)習(xí)，一個(gè)個(gè)的攔路虎使我們知難而退，大多數(shù)人熬不過(guò)緩慢起步期，起步期對(duì)應(yīng)的就是我們的入門(mén)階段。
快速提升期：在這一階段，已經(jīng)克服了第一個(gè)困難，成功地發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)的方法，是提升最快的階段。
高原期：只有極少數(shù)的人能夠進(jìn)入這個(gè)階段，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人依賴(lài)原有的學(xué)習(xí)方法，不能建立屬于自己的方法論，思維限制了他們的進(jìn)步。
2
FPGA學(xué)習(xí)之路
FPGA的學(xué)習(xí)之路是一個(gè)模仿、學(xué)習(xí)、動(dòng)手、創(chuàng)新、設(shè)計(jì)，不斷迭代的過(guò)程。
初學(xué)者往往是從模仿別人的代碼開(kāi)始，學(xué)習(xí)語(yǔ)法、學(xué)習(xí)建模方法、學(xué)習(xí)代碼風(fēng)格等等，在學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上動(dòng)手修改出自己的代碼，熟練后開(kāi)始加入自己的創(chuàng)新點(diǎn)，可以獨(dú)立的做自己的設(shè)計(jì)。
FFPGA初學(xué)者會(huì)常見(jiàn)現(xiàn)象：
數(shù)字電路理論不扎實(shí)，概念不清。這個(gè)是最要命的，因?yàn)閿?shù)字邏輯是FPGA的基礎(chǔ)，就像是你要建一座房子，你可以不會(huì)用斧子、鏟子等工具，但你不能不知道房子長(zhǎng)什么樣子。
Verilog語(yǔ)法不精，Verilog HDL語(yǔ)法書(shū)翻了一遍又一遍，學(xué)了忘，忘了學(xué)，循環(huán)往復(fù)，直至興趣殆盡。這個(gè)現(xiàn)象的根源是沒(méi)有在實(shí)踐中學(xué)習(xí)。Verilog HDL就是為開(kāi)發(fā)FPGA而開(kāi)發(fā)的一款工具而已，就像是蓋房子用的斧子錘子一樣，要多動(dòng)手才能精通。
工具軟件不會(huì)用。Xilinx、Altera(已被Intel收購(gòu))等FPGA廠家都有各自的開(kāi)發(fā)軟件，雖然軟件不同，但是開(kāi)發(fā)流程都是一致的，學(xué)會(huì)一種，另外一種自然而然的也會(huì)了，因?yàn)樗季S指導(dǎo)行動(dòng)，一精百通。以后我會(huì)以ISE和ModelSim為例，教大家學(xué)習(xí)Verilog和FPGA。
最后一點(diǎn)就是用軟件的思維去寫(xiě)Verilog代碼，其實(shí)這個(gè)和第一點(diǎn)是一個(gè)問(wèn)題。以后會(huì)在教程中給大家具體的講解。
3
FPGA與ASIC？
說(shuō)到FPGA，往往離不開(kāi)介紹ASIC。從字面意思上來(lái)說(shuō)：
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；
ASIC(ASIC,Application Specific Integrated Circuit)是用于供專(zhuān)門(mén)應(yīng)用的集成電路芯片技術(shù)。
我的理解是FPGA是可編程的ASIC，F(xiàn)PGA是一個(gè)百變星君，可以孫悟空的七十二變，在FPGA內(nèi)部資源允許的情況下，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)ASIC芯片的功能，反之，ASIC內(nèi)部的邏輯都是定死的，只能實(shí)現(xiàn)固定的功能，ASIC遠(yuǎn)沒(méi)有FPGA靈活。打個(gè)比方：如果說(shuō)ASIC是一塊磚，那么FPGA就是水泥，可以揉捏成任意的形狀。
FPGA與ASIC的本質(zhì)
從FPGA和ASIC的實(shí)物圖片可以看出：FPGA和ASIC也沒(méi)有什么區(qū)別嘛，從外觀上看都是芯片嘛！恭喜你答對(duì)了，他們都是芯片，FPGA和ASIC的本質(zhì)的都是由晶體管組成，所以他們看著差不多。
?
去掉芯片的保護(hù)外殼（封裝），會(huì)漏出里面的的裸片（die），芯片的管腳就是從裸片上的PAD用金線連接出來(lái)的。
?
裸片是從晶圓上一片片的切下來(lái)的，晶圓的樣子如下圖所示，
?
晶圓是指硅半導(dǎo)體集成電路制作所用的硅晶片，由于其形狀為圓形，故稱(chēng)為晶圓。在硅晶片上可加工制作成各種電路元件結(jié)構(gòu)，而成為有特定電性功能的集成電路產(chǎn)品。上圖中的晶圓，每一個(gè)長(zhǎng)方形就是一片芯片的裸片，每一個(gè)裸片將來(lái)都可以封裝成一塊芯片。
芯片是如何在硅晶片生產(chǎn)出來(lái)的呢？這幾需要集成電路的版圖了，版圖就好比PCB文件，只不過(guò)集成電路版圖用于指導(dǎo)芯片的生產(chǎn)，PCB用于印制電路板的生產(chǎn)。下圖就是一個(gè)芯片的版圖，周?chē)S色的方形就是將來(lái)封裝芯片時(shí)，用金線連接芯片管腳的PAD。
像PCB一樣，版圖也是分層的立體結(jié)構(gòu)。
以一個(gè)或非門(mén)為例，它的版圖結(jié)構(gòu)如下所示：
一個(gè)芯片的版圖就是由千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)類(lèi)似于或非門(mén)的基礎(chǔ)電路搭建而成，門(mén)級(jí)電路又是由更基本的單元：PMOS和NMOS組成。
MOS管的剖面結(jié)構(gòu)如下所示：
綜上所述：任何的數(shù)字芯片都是由晶體管組成的
5
為什么芯片的邏輯可以用晶體管搭建而來(lái)？
數(shù)電中我們學(xué)過(guò)卡諾圖化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式的方法：
可以得知，任何的數(shù)字邏輯表達(dá)式最終都可以化簡(jiǎn)成與或非組合的形式。
非門(mén)、與非門(mén)、或非門(mén)由晶體管級(jí)的PMOS和NMOS組成，組成電路如上圖所示。
所以，任何的數(shù)字組合邏輯電路都可以有晶體管組成。
6
FPGA的原理與結(jié)構(gòu)
FPGA的原理是基于SRAM的查找表結(jié)構(gòu)。通俗的講就是：可以將FPGA看做是一片SRAM，利用開(kāi)發(fā)工具軟件計(jì)算出所有的輸入組合排列對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果，然后將輸入組合作為SRAM的地址，該地址中存放的是與輸入組合對(duì)應(yīng)的輸出。當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)，到相應(yīng)的地址中讀取提前計(jì)算好存入的結(jié)果，然后輸出。
FPGA結(jié)構(gòu)組成包括以下：
可編程輸入輸出單元(IOB)?
可配置邏輯塊(CLB)
嵌入式塊RAM(BRAM)?
豐富的布線資源
底層內(nèi)嵌功能單元
內(nèi)嵌專(zhuān)用硬核
其中1-5是FPGA必須具備的，6、7一些低級(jí)的FPGA可能不具備。具體不再細(xì)講，幾乎每一本FPGA的書(shū)籍都會(huì)有詳細(xì)的講述。
FPGA結(jié)構(gòu)示意
?
FPGA就像積木一樣，只要合理運(yùn)用，通過(guò)使用不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭配組合，可以得到你想要的。
7
Verilog HDL概述
如何將一堆積木零件搭建出我們想要的結(jié)構(gòu)呢（將FPGA配置成我們所需要的電路）？這就需要我們的Verilog HDL登場(chǎng)了。
Verilog HDL是一種硬件描述語(yǔ)言，可以抽象的描述硬件電路。硬件描述語(yǔ)言同樣可以用于ASIC設(shè)計(jì)和FPGA設(shè)計(jì)。
常用的硬件描述語(yǔ)言還有VHDL，關(guān)于VHDL和Verilog HDL，我的總結(jié)就是：VHDL語(yǔ)法嚴(yán)謹(jǐn)（潛臺(tái)詞：規(guī)矩多），適用與大型電路設(shè)計(jì)；Verilog HDL語(yǔ)法靈活，上手快。所以建議新手學(xué)習(xí)Verilog HDL。即使沒(méi)學(xué)過(guò)VHDL，但是精通Verilog HDL也照樣能夠看懂VHDL，因?yàn)榻Ｋ枷攵际且粯拥?，猜也能猜個(gè)八九不離十。
8
如何快速上手Verilog HDL?
你必須知道的，Verilog的所有語(yǔ)法中：
?Verilog語(yǔ)法中30%的語(yǔ)言用于電路設(shè)計(jì)(可綜合，可產(chǎn)生實(shí)際電路）?
?70%的語(yǔ)言用于功能仿真，也就是測(cè)試
也就是說(shuō)，你沒(méi)必要掌握所有的語(yǔ)法。有的同學(xué)抱著本Verilog語(yǔ)法書(shū)從頭到尾一直不拉的啃，妄想著學(xué)會(huì)說(shuō)有語(yǔ)法后再去設(shè)計(jì)電路，殊不知他拿著80%的時(shí)間去學(xué)習(xí)著70%的可能用不到的語(yǔ)法。我并不是說(shuō)仿真的語(yǔ)法不重要，我的意思是先掌握基本的簡(jiǎn)單語(yǔ)法，四個(gè)字：先干起來(lái)。
學(xué)習(xí)Verilog就像是蓋房子，妄圖掌握所有語(yǔ)法的人想著我一定要把地基打牢，所以花費(fèi)了巨量的經(jīng)歷和時(shí)間磨語(yǔ)法，就一直在打地基。而先干起來(lái)的同學(xué)雖然房子不完整，但是輪廓已經(jīng)起來(lái)了，以后修修補(bǔ)補(bǔ)，就能完工。
先干起來(lái)
9
總結(jié)
在學(xué)習(xí)一門(mén)技術(shù)之前我們往往從它的編程語(yǔ)言入手，比如學(xué)習(xí)單片機(jī)時(shí)，我們往往從匯編或者C語(yǔ)言入門(mén)。所以不少開(kāi)始接觸FPGA的開(kāi)發(fā)人員，往往是從VHDL或者Verilog開(kāi)始入手學(xué)習(xí)的。但我個(gè)人認(rèn)為，若能先結(jié)合《數(shù)字電路基礎(chǔ)》系統(tǒng)學(xué)習(xí)各種74系列邏輯電路，深刻理解邏輯功能，對(duì)于學(xué)習(xí)HDL語(yǔ)言大有裨益，往往會(huì)起到事半功倍的效果。
當(dāng)然，任何編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)都不是一朝一夕的事，經(jīng)驗(yàn)技巧的積累都是在點(diǎn)滴中完成，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)也無(wú)例外。
我后續(xù)推出的快速入門(mén)Verilog HDL及FPGA視頻教程的學(xué)習(xí)方式將是：
??編輯：黃飛
?
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論