初识FPGA第一次亲密接触

1.1 FPGA技术背景

笔者也是在偶然的机缘下接触到FPGA的，当初只有感性的认识就是FPGA速度快，而笔者是一个初出茅庐的电子技术爱好者，觉得越快越好，就去学习FPGA了，学习了FPGA才知道FPGA真不简单。一晃8年多时间过去了，在摩尔定律下，FPGA也是从逻辑资源上不断刷新新的记录，笔者用过的FPGA从XILINX家族的spartan2e、spartan3e、spartan6到artix7、kintex7、zynq7000再到ultrascale、MPSOC。这些年，见证了XILINX公司的从FPGA领域和Altera平分天下，到目前一家独大，感概当初运气好，当初选择了XILINX的FPGA方案。但是国际形式风云变幻，从2018年开始的中美贸易战开始，美国政府逐步禁售FPGA芯片给华为、海康威视等国内FPGA使用的大客户，逐步也让笔者感到了作为一个FPGA技术爱好者和从业者的渺小，也认识到了作为半导体技术的明珠之一”FPGA”技术，国内的FPGA差距与国外差距巨大。

在目前的情况下，不管是硬件成熟度、软件成熟度、生态完善，国内FPGA厂家都是无法比拟的，在这种情况下我们仍然有必要学习国外先进FPGA技术。这也是对于就业和职业最好的选择。当然笔者也在准备推广国产化的FPGA技术方案，相信在不久的将来，也许是5-10年后，国产的FPGA和配套的EDA软件也能达到目前国外FPGA巨头的水平。

1.2搞清楚是否有必要学习FPGA

对于很多初次接触FPGA的读者来说，FPGA是陌生而神秘，对于学习了一段时间的读者来说，感觉FPGA强大，无所不能，而自己的技术能力却一无所能。这是很多初学者必须面对的困难，也是必须要搞清楚的问题：

1)、FPGA是什么东西?

2)、FPGA的优缺点是什么?

3)、FPGA的应用领域是什么?

4)、我是否有必要学习FPGA?

5)、学习FPGA的困难是什么?

6)、有什么方法与捷径?

带着这些笔者提出来的疑问，或许也是你们正在阅读这篇文章的疑问，笔者以自己从业多年的认识来解答这些问题你。

1.2.1 FPGA是什么东西

         早在FPGA出现前，还有CPLD，通常CPLD就是逻辑门电路芯片,而随着技术发展，新的工艺的出现，才出现了FPGA技术。FPGA虽然在功能上也是实现了逻辑门，但是实现的方式和CPLD却大不一样。由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构。LUT本质上就是一个RAM。它把数据事先写入RAM后， 每当输入一个信号就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出。

       所以可以把FPGA就是通过程序可以实现不同的逻辑功能的芯片，而且这种方式不同于CPU的指令调度方式。下一个问题中，我们讨论FPGA和CPU的对比。

1.2.2 FPGA的优缺点

         FPGA有很多优点，比如并行处理能力强，速度快，由于FPGA硬件是可编程的特点，在一些ASIC芯片还没出现的领域或者行业，FPGA具有通过编程快速达到方案预期的好处，也可以在一些不知道去研发专用ASIC电路的领域，或者最佳的成本优势。比如通信、安防、医疗、工业、军事、航天领域，FPGA都是这些行业的明星，而且高端的FPGA技术几乎被国外技术垄断。

         FPGA的缺点：

1)、从成本角度，FPGA不适合一些量非常大的领域使用，量非常大的领域一般有专用的ASIC芯片供应。所以如果量大，建议读者先去考虑是否有专用的ASIC芯片可以解决方案。

2)、从开发难度来说，FPGA需要很强的专业背景，以及基础的底层通信协议的编写能力，使用FPGA没有库函数给你调用的，所以基本上一切的接口都要自己去写，如果一些标准的IP或者公司自己的IP，也要掌握接口的时序调用。

3) debug困难，FPGA的有一套自己的debug方式，可以通过RTL的仿真，初步验证自己的代码逻辑是否正确，然后通过板级验证，证明在指定的FPGA芯片上看是否运行正确。而且有一些潜在的bug可能无法发现，需要大量的测试和验证。所以选择成熟的FPGA芯片以及成熟的EDA开发软件非常重要，否则入坑了，不容易出来。

4) 编译时间特别长，这是非常不幸的，即便是用目前最好的电脑，用的也是目前这个星球上最好的EDA开发工具，依然非常慢，对于一个中等规模的项目开发，FPGA的编译时间可能在20~30分钟左右，一天8小时的工作时间，没多少次编译就要下班了，所以加班是经常的事情。

1.2.3 FPGA的应用领域

         FPGA广泛应用于通信、安防、医疗、工业、军事、航天领域。这些领域，当然不是全部要使用FPGA，而是一些方面不会有现成的ASIC芯片供应，说白了就是量不够大，但是对成本又不是非常敏感的行业。没错，基本上用FPGA的公司都是很有钱的公司，如果你是FPGA从业者，你的就业面基本上就是去一些大型的通信公司，或者研究所。比如华为的通信设备，很多都需要用到FPGA做通信使用，海康威视的设备很多需要用FPGA做图像加速处理、阿里云的云服务器也有用FPGA加速的，工业领域的通信、运动控制、工业摄像头等非常大量的使用FPGA,军事领域的导弹，雷达等，也都是需要用到FPGA去采集高速的AD信号，并且做并行加速，通常来说，美国的芯片是禁售给军工企业的。

         目前新兴的领域比如加速运算，FPGA方案和GPU方案也是各有千秋，而且从长远看，笔者也是更看好FPGA的技术，因为FPGA的并行算法能力，可以突破摩尔定律的影响。GPU不可能无限制提高主频的，但是FPGA可以通过增加逻辑门的数量，提高并行处理的速度，从而获得更高的性能。并且在一些专业的加速算法，深度算法领域，FPGA具备更好的功耗，更低的功耗就意味着更低的使用成本。

 1.2.4 是否有必要学习FPGA

         前面分析的内容，已经初步告诉你是否要学习FPGA了。除了以上的分析，还有一定的机缘。如果机缘让你遇到FPGA，请好好把握，FPGA是非常有趣的事物，需要学习的知识非常多，并且具备很大的挑战。如果对于一个学生，已经掌握了单片机，你可以选择一条往ARM方向,LINUX方向的发展路径，也可以选择一条往FPGA的通信、并行加速发展方向；但是不管如何，都需要你有专业背景，也就是把你专业领域的东西，通过这些先进的技术可以发挥作用。如果你是一个工程师，如果你们的公司要求你掌握FPGA，你就的去学习FPGA，如果你是工程师，你已经厌倦了ARM或者LINUX的枯燥，你更喜欢FPGA的并行处理能力，对FPGA的并行加速方案非常痴迷，你可以选择学习FPGA。如果你犹豫不绝，毅力不够鉴定，还是不知道自己学习FPGA的目的，那就不要学习FPGA.

1.2.5 学习FPGA的困难

每个领域对于不会的人来说，都是难的，但是对于高手来说都是不难的。所以这个难是相对的，是相对于初学者的。

1)、你所认识的身边学习FPGA的人少，FPGA的圈子小，所以你要由做独行侠的心里准备。

2)、软件安装和使用超级复杂，一各软件都要20G以上，这还不算安装一堆软件，别人搞STM32的安装一个200多M的MDK就可以了。

3)、学习成本高，学习成本不仅仅包括硬件的投入，低端的硬件，学习的内容有限，打基础没问题，真要去公司露几手，是不行的，FPGA做的都是一些高尖端的领域，必须由几手绝活才可以催牛。另外就是时间投入，由于很多需要基础学习，比如一个I2C,一个UART通信都要靠自己敲入每行代码，这是多痛苦 事情，别人搞STM32的以一条库函数就搞定了，你作为一个初学者，可能一个I2C或者一个UART写了1周，2周都没写稳定。

4)、大量的接口协议需要学习，比如AXI4总线，光通信、PCIE通信、接口协议不是证明你FPGA技术是否多高的，但是没有接口协议，你的自己写的控制代码，或者算法，无法借用别人已经做好的功能模块。

5)、需要会时序分析，自己每写的一行代码都要精确知道，在某一个时刻发生了什么，别人STM32库函数调用那要计算花费了多少时间，具体哪一个时刻执行了什么呢?你可能因为一个时序的代码没有精准控制，导致你花费了几天调试才找到问题。

6)、需要会看英文手册，而且会大量的无效信息中提取有用的信息，搞FPGA由中文的教程那是你的福音，更多时候需要肯英文文档，关键很多时候还没理解透彻

7)、全能通，你需要会C/C++,你需要比STM32学者更强，需要掌握microblaze SOC使用，现在出现的ZYNQ以及MPSOC，你还需要会ARM 会LINUX底层驱动的开发，调试上位机

8)、硬件分析能力，有些硬件工程师设计的硬件有问题，你还要帮忙分析测试硬件问题

9)、初学者写的代码问题很大，FPGA编译时间很长，你会经常需要加班

10)、有一台非常强大的电脑，配置当下最好的CPU,单核主频越高越好，内存越大越好，所以对于手头紧张的学生来说，还是要节省开销，配个好点电脑的，尽量不要因为硬件的问题浪费宝贵的时间。遥想笔者上学期间的穷苦潦倒，FPGA真是有点玩不起的。

1.2.6 方法与捷径

         方法与捷径是就是如何花费更少的时间达到最佳的结果。

         1)、如果你学习过C或者其他嵌入式编程的最佳了，有点基础总比没有基础的小白好

         2)、FPGA编程语言选择verilog好了，虽然VHDL也是FPGA的编程语言，你能看懂VHDL就可以了，因为现在学习verilog编程语言的人多，数据也多，参考资料就多了。

         3)、选择一款国内开发板，国内的开发板产业已经相对完善，适合初学者使用，配套的中文教程容易阅读，配套的例子一般也容易上手。但是国内的开发板还存在，资料的更新比不上国外的，一些新的技术没有在教程中体现，当你完成基础的学习后，还是最好去学习国外的资料，一些FPGA最新的技术国内开发板厂家需要一定延迟才会更新，如果你总是满足于开发包板学到的内容，你得技术肯定不是最先进的，肯定也不是领先的。

         4)、多加QQ群，多和别人交流，活跃的气氛有利于带动一些技术大牛和你分享他们的技术经验

1.3总结

虽然我们米联客的主要盈利手段还是售卖FPGA开发板，但是我们的教程尽量不出现广告，还是纯粹探讨技术，笔者以一个FPGA爱好者，开发者的角度给大家分享自己的经验和米联客团队掌握的FPGA技术，希望能给读者在未来的FPGA从业之路起到积极的帮助，也希望大家可以更多和米联客团队分享自己的学习经验。我们米联客团队的成长离不开广大读者的参与，我们的技术分享也离不开广FPGA开发者的分享。