留守在家，如何提升和精进FPGA设计能力？

本文授权转载自：网络交换FPGA，作者西南交通大学研究生导师邸志雄博士。

工欲善其事，必先利其器，代码可综合设计能力、电路设计方法学、领域特定架构和算法理论，是提升和精进FPGA技能的必要基础。不需要FPGA开发板实物，也能够在家学习和夯实这些基础知识（ps：注意，如果长期学习FPGA，有一块FPGA开发板是非常必要的。本文章重点针对短期留守在家的同学。）。

0、FPGA入门基础

具备基本数字逻辑基础、基本VerilogHDL编写能力。

此处推荐东南大学汤勇明老师编写的《搭建你的数字积木——数字电路与逻辑设计》。这本书将Xilinx Vivado集成设计开发环境在第1章中就呈现给读者，让读者从一开始就能利用该开发工具学习具体逻辑设计。这本书的优点是采用了电路设计加VerilogHDL编写的方法，重点突出模块化编程思想并详细介绍了IP设计、封装和调用方法，并在书中给出了VGA控制器、数字图像处理设计等实际案例。

如果已经具备了“数字电路+FPGA”基础，可从如下内容开始学习。

1、VerilogHDL和电路设计能力提升

经常碰到学生问类似“VerilogHDL不会编，如何提升编程能力”等等的问题，其实这个问题一开始就是错误的。VerilogHDL是硬件编程语言，与C语言等软件编程语言有着非常大的差异，如果使用C语言的书写思维去学习Verilog，那就完全错了。Verilog HDL语言是对已知硬件电路的文本描述，因此必须理解其可综合特性。

编写Verilog HDL前：

• 应对所需实现的硬件电路“胸有成竹”；

• 牢记可综合Verilog HDL与电路结构一一对应的关系；

• 确认电路指标是什么：性能？面积？

• 硬件思维方式，代码不再是一行行的代码而是一块一块的硬件模块；

真正理解以上几点，才可以理解电路设计的思想，写出行云流水般的高质量代码。关于如何实现高质量的VerilogHDL代码书写的内容、如何理解数字电路的设计思想，可以在家学习我在“中国大学MOOC”网站的慕课《芯动力——硬件加速设计方法》第二章和第三章。目前该课程在线学习人数已经超过1200人。第四章和第五章重点讲数字芯片的逻辑综合和静态时序分析方法，但是与FPGA的综合和时序约束很接近，也可以学习。

在“中国大学MOOC”搜索课程名称即可参与，或者访问链接：

https://www.icourse163.org/course/SWJTU-1207492806?tid=1207824209

免费收看。

参考书推荐：

• 《轻松成为设计高手：Verilog HDL实用精解》。EDA先锋工作室编写，目前市面上的中文书籍里，少有的几本能够从VerilogHDL硬件本质来阐述的书。（ps：该书的前一版书名为：设计与验证。两版内容基本上一样，看哪个都可以）

• 《Altera FPGA/CPLD设计(高级篇)》。EDA先锋工作室编写，人民邮电出版社. （ps：一定要注意是“高级篇”。该系列还有一本“基础篇”，不建议阅读）

• 《SoC设计方法与实现(第3版)》，郭炜 等编写. 电子工业出版社。

• 《FPGA深度解析》，樊继明，陆锦宏 著. 北京航空航天大学出版社. 2015年。（ps：以上两本对电路设计的相关知识点做了详细阐释）

2、选择好的FPGA案例，提升设计能力

FPAG的优势是硬件加速，其“能效比”远高于传统的CPU和GPU。因此，FPGA在对算力有极致需求的领域有着非常广泛的应用，如人工智能、图像视频处理、密码安全、数据中心、航天航空、高频量化交易等。

那么，什么案例适用于FPGA教学？这是一个很有意思，也值得思考的问题。是流水灯？I2C串口传输？我认为不是，这些案例完全没有体现出FPGA应用的特点，反而因为FPGA上手和调试较难的原因，劝退了一部分本来有兴趣学习FPGA的学生。这些案例的特点是系统更关注“控制”而不是“计算”，且I/O、存储数量要求非常小。一方面，无法体现FPGA带来的硬件加速效果；另一方面，用单片机、MCU来实现流水灯、串口等系统，上手简单，又快又好，为什么要用FPGA来做这些？

个人认为最适合学习FPGA的案例有以下几种：

• 处理器原型设计与实现。例如，在FPGA上完成一颗小型RISC CPU的设计，如果手上开发板，还可以进一步完成操作系统的移植和应用程序编写。也可以在FPAG上完成AI处理器的设计，最终在开发板上实现诸如图像检测、人脸识别等系统功能。

• 高性能算法加速。例如，在FPAG上完成数字信号处理算法、图像视频处理算法等单片机无法实现的系统。

同学们可以充分利用参考书、公众号、B站、github等各种网络资源，从应用领域的架构、算法等基础学起。如果没有开发板，可以完成电路设计、代码编写、FPGA的验证和实现流程。

参考书与案例推荐：

• 《搭建你的数字积木——数字电路与逻辑设计》。汤勇明等编著，清华大学出版社，2017年。（ps：书中最后几章有很多FPGA案例）

• 《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇 》。胡振波编著，人民邮电出版社，2018年。（ps：github上面有该CPU的源码）

• pynq.io (http://www.pynq.io/)，这是一个网站。Xilinx PYNQ开发板的开源的开发者社区，有很多使用PYNQ的开发案例，如AI处理器、视频图像处理等等。

• Parallel Programming for FPGAs。本书有中文版和英文版，书和案例都可以在github下载。网址为：https://xupsh.github.io/pp4fpgas-cn/。（ps：本书中所有案例都采用HLS C编写完成，如果对使用C++/C语言开发FPGA感兴趣，可以学习这本书）

• 《VLSI数字信号处理系统设计与实现》（作者：Keshab K.Parhi）与《数字信号处理的FPGA实现》（作者：Uwe Meyer-Baese）。（ps：这两本仅限有数字信号处理基础的同学学习。不建议初学者学习）

• 斯坦福开设的一门机器学习硬件加速器的课程，“Hardware Accelerators for Machine Learning (CS 217)”（ps：仅限有机器学习和FPGA开发能力的同学学习。不建议初学者学习）

另外，如果有同学对FPGA芯片本身感兴趣，可以阅读这本书：《FPGA原理和结构》，[日] 天野英晴 著，赵谦 译，人民邮电出版社。尽管已经有很多书籍和课程来讲授如何应用FPGA来搭建电子系统、实现硬件加速，但是几乎没有一本中文入门教材来讲授FPGA内部的设计原理和结构。

《FPGA原理和结构》一书集结了日本FPGA和可重构计算领域的多位权威和专家，译者老师也长期从事FPGA和可重构计算研究，在FPL等FPGA顶级学术会议发表多篇论文。本书不仅对FPGA内部结构做了引人入胜的分析和讲解，而且对FPGA CAD工具和算法也进行了详细深入的阐述。

更惊喜的是，本书还介绍了FPGA在超算、基因科学、金融、人工智能、高频交易等方面的应用，可以让读者看到一个当下和未来更大的FPGA世界。本书写作风格浅显易懂，严谨求实，非常适合本科生和研究生作为FPGA结构与原理的入门教材，本书日文原作在日本可重构领域几乎人手一本。

如果有同学在阅读《FPGA原理和结构》一书后对FPGA开发工具的设计原理感兴趣，可以研究下学术界经常用的FPGA开源工具VTR：

https://vtr.readthedocs.io/en/latest/。

3、开发工具推荐

Xilinx vivado 2018.3。注意版本号2018.3，版本号要正确，不建议下载比2018.3更早的版本。官网就可以完成下载，由于该工具体积很大（约18G），所以要耐心等待。

使用Xilinx vivado 或者Intel Qurtus Ⅱ都可以完成FPGA开发全流程。如果觉得其中内嵌的工具不好用，还可以使用如下工具代替：

• VS code编辑器（要安装Verilog插件），完成代码编辑；编辑器还有notepad++、Ultraedit、Vim等，看个人编程习惯。Vim学习曲线比较陡峭，熟练之后效率非常高。

• Modelsim，完成代码仿真。

4、开发板推荐

目前情况看，网购基本上还不影响。如果有同学确实觉得需要一个实体开发板来落实系统设计，推荐以下几款，都可以在淘宝购入：

• Spartan Edge Accelerator（SEA）。Seeed出品，采用了Xilinx Spartan7器件，价格<300元，适合入门的初学者完成一些轻量级的系统加速。SEA可以支持外插arduino作为其扩展板，如果熟悉arduino，可以采用这款开发板入门。

• Arty A7（Artix-7）。Digilent出品，硬件逻辑资源和接口相对丰富，开源的案例比较多，有利于入门的时候做一些较为复杂的案例。

• Xilinx PYNQ Z2。依元素出品，该系列FPGA中嵌入了一颗双核ARM，既能发挥FPGA的定制特性，也能发挥处理器的通用特性，而且两个部分之间接口丰富、官方文档齐全，可玩性极高。用户可以使用Python语言编程开发ARM端，并且代码可直接在PYNQ-Z2上进行开发和测试。当引入Python后，就可以使用一些Python中强大的第三方库，例如Numpy、Matplotlib等。注意：PYNQ的FPGA端仍需使用VerilogHDL或者HLS进行编程实现。

5、扩展知识

以上是FPAG的必备知识。但是，随着FPAG技术的快速发展，当下的FPGA已经与传统的FPGA硬件开发有了天壤之别。尤其是集成SoC的FPGA推出之后，更加注重软、硬结合的复合能力。从两大厂商FPGA推陈出新的技术来看，软件开发能力已经被提到前所未有的高度。如果同学们学有余力，可以学习如下扩展知识和技能：

• Python。PYNQ就是一个非常好的例子。从最近三年“全国大学生FPGA创新竞赛”的获奖作品可以看出，使用Python可以快速完成一个复杂FPGA系统的搭建。但是，请务必分清楚PL和PS。

• HLS C。C++/C非常适用于将复杂算法放到FPGA上，开发效率远胜VerilogHDL好几倍，如果同学们感兴趣的话，可以参考上述第2部分推荐的参考书《Parallel Programming for FPGAs》。

图书推荐：

一本书了解FPGA技术及应用基本原理

《FPGA原理和结构》

作者：天野英晴 等
译者：赵谦

本书由日本可重构领域专家团队撰写，是一本讲解FPGA原理的书。前5章从FPGA的相关概念入手，简明又严谨地阐述了FPGA硬件构成和CAD工具的内部原理等理论基础，有助于读者快速入门，也有助于读者了解如何优化自己的电路代码，获得更高的性能。第6章分析了FPGA的优势，系统地介绍适用于FPGA开发的“硬件算法”，有助于读者利用FPGA更高效、更有针对性地解决问题。第7章和第8章则讲解了FPGA的技术动态和应用案例。