FPGA认识-什么是FPGA（1）_fpga是什么

说在前面

本人也是一个学习FPGA的小白，在学习FPGA走了不少弯路，想分享给大家一些学习FPGA的心得，大家一起交流学习嘛。
本文是很白话的文章，不要嫌弃。

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1. FPGA是什么？

FPGA的全称是（Field Programmable Gate Array），中文翻译过来是现场可编程逻辑门阵列。这里名称很好的诠释了FPGA的定义。

1. 首先最最重要的，它是可编程逻辑门阵列，它是一个数字电路，它不是模拟电路，它不能处理模拟信号。它可以被用来完成某些数字电路完成的事情。
2. 它是可编程的，就说明它的逻辑电路可以改变，它是可擦写的，不是一次性的，同时它是现场可编程的，说明它的擦写条件不苛刻。
   FPGA的灵活性和高速性，使它在数字信号处理的应用中有得天独厚的优势。

国内目前常用的是国际大厂Xilinx和inter的，国内有国科微和复旦微的FPGA，不过都是用的Xilinx的内核，开发工具可以直接使用Vivado进行开发，但是工艺真不能恭维。

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2. FPGA的五大优势

• 性能

  利用硬件并行的优势，FPGA打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器（DSP）的运算能力

• 上市时间

  尽管上市的限制条件越来越多，FPGA技术仍提供了灵活性和快速原型的能力。 用户可以测试一个想法或概念，并在硬件中完成验证，而无需经过自定制ASIC设计漫长的制造过程。

• 成本

  自定制ASIC设计的非经常性工程（NRE）费用远远超过基于FPGA的硬件解决方案所产生的费用。
  （ASIC即专用集成电路，是指应特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。）

• 稳定性

  软件工具提供了编程环境，FPGA电路是真正的编程“硬”执行过程。 基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。 驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内存和处理器的带宽。对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。 而FPGA不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。

• 长期维护

  FPGA芯片是现场可升级的，无需重新设计ASIC所涉及的时间与费用投入。 举例来说，数字通信协议包含了可随时间改变的规范，而基于ASIC的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。可重新配置的FPGA芯片能够适应未来需要作出的修改。 随着产品或系统成熟起来，用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。
  前期学习的时候，你可以无需理解这些优势，埋头学习即可，反正FPGA就是很好，前景很好。

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3. FPGA与单片机的区别

单片机大部分电子专业的人都有学习过，从单片机和FPGA的对比角度讲能够更加理解FPGA的不同。

单片机，全称为单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer），又称微控制器（Microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

学习FPGA的人基本上都或多或少对单片机有所了解，在这里，我来说说FPGA和单片机的区别，相信大家可以更加理解FPGA。

1. 结构上的区别

单片机是一种微处理器，类似于电脑CPU的，它一般采用的是哈佛总线结构，或者冯诺依曼结构，对单片机的编程很大程度上要考虑到它的结构和各个寄存器的作用，单片机用途比较广，一般用在控制流水线上，还有日常你看得到的东西上！
　　FPGA 是基于查找表结构。
　　单片机是一个微控制器，通过加载模块软件来实现某种功能，单片机是成型的芯片;一块设计好的FPGA，它是专门执行特定操作的逻辑电路，FPGA的结构是固定的，我们是通过改变FPGA的内部连线，实现了特定电路才能实现的功能。
　　FPGA是数据流结构的，它所有的内部模块是同时工作的，是并行执行的，我们将设计FPGA可以类比于设计一套房屋供水系统，而单片机是顺序执行软件程序的（在固定的硬件结构上）。

2. 速度上的区别

FPGA由于是硬件电路，运行速度直接取决于晶振速度，系统稳定，特别适合高速接口电路。并行执行的特点决定了FPGA在数字信号处理上得天独厚的优势。
　　单片机由于是单线程，哪怕是常用的M3系列流水线也是单线程执行，程序语句需要等待单片机周期才能执行。

3. 本质区别

FPGA和单片机的区别，本质上是软件和硬件的区别，FPGA更偏向于硬件电路，而单片机更偏于软件。
　　单片机设计属软件范畴，它的硬件（单片机芯片）是固定的，通过软件编程语言描述软件指令在硬件芯片上的执行;
　　FPGA设计属硬件范畴，它的硬件（FPGA）是可编程的，是一个通过硬件描述语言在FPGA芯片上自定义集成电路的过程;

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4. 学习FPGA之前的知识储备

• 数电
  FPGA是可编程逻辑门电路，我们在进行FPGA设计的时候当然需要对数电有一定的理解。

  学习资料推荐：数电在电子信息专业开设的课程中算十分容易的一门学科，本人直接自学学校发放的教材。

• Verilog HDL语言
  设计FPGA我们常用的是两种语言，Verilog HDL and VHDL，Verilog和VHDL各有优势
  Verilog语法简单，编 写更加灵活，更接近C语言，对学习过C语言的同学十分友好，最最重要的是，网上参考资源多。
  VHDL语法严格，适合大型系统级的设计。虽然现在高校本科阶段的教学常采用VHDL，研究生阶段才开设Verilog，但是本人认为作为本科生学习Verilog是完全没问题的,反倒有优势。

  本人先自学了Verilog，然后学校开设了VHDL,对于同时接触过两种语言的的我来说，Verilog是真的好用。如果大家想详细了解Verilog和VHDL的异同和优势，我推荐大家看下这篇博客VHDL和Verilog的区别

  学习资料推荐：<Verilog数字系统设计教程(第2版) 夏宇间 北京航空航天大学出版社 (2008-06出版)>

简单展示一下分别用Verilog和VHDL实现四位全加器的代码。
Verilog

  module add_4
    (
    	input[3:0] a,b,
    	output[3:0] sum,
    	output cout,
    	input cin
    );
    assign{cout,sum} = a+b+cin;
    endmodule
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VHDL

library ieee; 
use ieee.std_logic_1164.all; 

entity sequenadder is  
port( 
    A:IN BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); 
    B:IN BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); 
    Cin:IN BIT; 
    S:OUT BIT_VECTOR(4 DOWNTO 0) 
    ); 
END; 

ARCHITECTURE SEQUENFUNC OF sequenadder IS  
	SIGNAL SIN1:BIT; 
	SIGNAL SIN2:BIT; 
	SIGNAL SIN3:BIT; 
COMPONENT alladder IS 
PORT( 
    A,B,Cin:IN BIT; 
    S,Cout:OUT BIT 
    ); 
END COMPONENT; 
BEGIN  
    G1:alladder port map(A=>A(0),B=>B(0),Cin=>Cin,S=>S(0),Cout=>SIN1); 
    G2:alladder port map(A=>A(1),B=>B(1),Cin=>SIN1,S=>S(1),Cout=>SIN2); 
    G3:alladder port map(A=>A(2),B=>B(2),Cin=>SIN2,S=>S(2),Cout=>SIN3); 
    G4:alladder port map(A=>A(3),B=>B(3),Cin=>SIN3,S=>S(3),Cout=>S(4)); 
END;

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• 信号处理相关知识
  学习FPGA的人有两种人，一种是项目需要使用到FPGA，那么这种人已经有了信号处理相关的知识储备，第二种人就是像我这样的小白，先知道FPGA好，然后就一股脑的要学习FPGA，对于这种人其实是难度比较大的。但是既然决定要学习FPGA，那你就得学习《信号与系统》《数字信号处理》这两门课程。

  学校开设了信号与系统的课程，加上老师功力了得，我就没有自学别的书籍了。对于需要自学的同学，根据网上的资料我推荐《信号与系统（第二版）奥本海姆》下载链接

  数字信号处理这么课学校开设得比较晚，我稍微自学了一下项目需要使用到的部分，我使用的书籍是《数字信号处理/.(美) Richard G. Lyons著/.张建华, 许晓东, 孙松林等译》

  对于才进入大学的小白，信号处理相关的书籍可以选择先学习数电和verilog。

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5. 学习资料

相对于STM32和其他语言的学习，FPGA是比较少的，但是近年来网上的学习资料还是多了起来。
1.非官方平台
CSDN博客，博客园平台，电子发烧友
电子专业的学习当然离不开博客和社区。网上有很多大佬分享自己的学习心得，很多人甚至分享了自己工程的完整代码。

推荐一个大佬的csdn博客，点进去看看，你会被惊艳到的。FPGADesigner博客

2.官方社区
FPGA芯片的生产商目前最大的是Xilinx和Altera，每个公司都有自己开发平台，开发平台使用的时候可能会遇到各种各样的error，遇到一些非官方平台博客没有解答的问题可以去浏览Xilinx和Altera的官方论坛。
赛灵思中文社区
Altera中文社区

3.大学生MOOC和B站
里面有很多视频课程。

4.知网
在完成一些很专业的项目的时候，我们可以站在前人的肩膀上。

5.老师学长学姐
身边有学习过的学长学姐和老师还是最好的，有些问题在你看来很难，但是学长学姐碰到过，可以直接问他们。

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6. 说在最后

写文章主要目的是最近问我怎么学习FPGA的人有点多，那我就干脆写博客，就不用每次和别人讲还要准备了。顺便把学习FPGA同学的队伍越拉越大。

7. 参考文献

《什么是FPGA?FPGA具有哪五大优势》 --电子发烧友网工程师

百度百科