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[讨论] FPGA难学有四大原因

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发表于 2016-1-12 16:58:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
1、不熟悉FPGA的内部结构,不了解可编程逻辑器件的基本原理。
FPGA 为什么是可以编程的?恐怕很多菜鸟不知道,他们也不想知道。因为他们觉得这是无关紧要的。他们潜意识的认为可编程嘛,肯定就是像写软件一样啦。软件编程的思想根深蒂固,看到Verilog或者VHDL就像看到C语言或者其它软件编程语言一样。一条条的读,一条条的分析。如果这些菜鸟们始终拒绝去了解为什么 FPGA是可以编程的,不去了解FPGA的内部结构,要想学会FPGA恐怕是天方夜谭。虽然现在EDA软件已经非常先进,像写软件那样照猫画虎也能综合出点东西,但也许只有天知道EDA软件最后综合出来的到底是什么。也许点个灯,跑个马还行。这样就是为什么很多菜鸟学了N久以后依然是一个菜鸟的原因。

那么FPGA为什么是可以“编程”的呢?首先来了解一下什么叫“程”。启示“程”只不过是一堆具有一定含义的01编码而已。编程,其实就是编写这些01编码。只不过我们现在有了很多开发工具,通常都不是直接编写这些01编码,而是以高级语言的形式来编写,最后由开发工具转换为这种01编码而已。对于软件编程而言,处理器会有一个专门的译码电路逐条把这些01编码翻译为各种控制信号,然后控制其内部的电路完成一个个的运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的读,因为软件的操作是一步一步完成的。

而FPGA得可编程,本质也是依靠这些01编码实现其功能的改变,但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能,不是依靠像软件那样将01编码翻译出来再去控制一个运算电路,FPGA里面没有这些东西。FPGA内部主要三块:可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。可编程的逻辑单元是什么?其基本结构某种存储器(SRAM、FLASH等)制成的4输入或6输入1输出地“真值表”加上一个D触发器构成。任何一个4输入1输出组合逻辑电路,都有一张对应的“真值表”,同样的如果用这么一个存储器制成的4输入1输出地“真值表”,只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意4输入1输出的组合逻辑。这些“真值表”内部值是什么?就是那些01编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办?这不又D触发器嘛,任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑+D触发器来完成。但这毕竟只实现了4输入1输出的逻辑电路而已,通常逻辑电路的规模那是相当的大哦。那怎么办呢?这个时候就需要用到可编程连线了。在这些连线上有很多用存储器控制的链接点,通过改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。者就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。最后就是可编程的IO,这其实是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚(FPGA中有专门的非用户可使用的测试、下载用引脚)为输入还是输出,还可以对IO的电平标准进行设置。

总归一句话,FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的01代码制作成一张张“真值表”,并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。不了解FPGA内部结构,就不能明白最终代码如何变到FPGA里面去的。也就无法深入的了解如何能够充分运用FPGA。现在的FPGA,不单单是有前面讲的那三块,还有很多专用的硬件功能单元,如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计,是从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这一切,还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。
2、错误理解HDL语言,怎么看都看不出硬件结构


HDL语言的英语全称是:Hardware Description Language,注意这个单词Description,而不是Design。老外为什么要用Description这个词而不是Design呢?因为 HDL确实不是用用来设计硬件的,而仅仅是用来描述硬件的。描述这个词精确地反映了HDL语言的本质,HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已,只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。

而在编写语言之前,硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多人就不理解了,既然硬件都已经被设计出来了,直接拿去制作部就完了,为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢?其实这就是很多菜鸟没有了解设计的抽象层次的问题,任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧,最初的设计也许就是一个概念,设计出这个概念也是就是一个点子而已,离最终拍成广告还差得很远。

硬件设计也是有不同的抽象层次,没一个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。