一位死磕FPGA9年工程师的肺腑之言

电子工程世界 2024-11-29 08:02

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我现在最庆幸的事情就是从进入职场到现在一直是FPGA开发，我感觉，做FPGA开发这行经验是很重要的，入门简单，想提升会越来越难。做FPGA开发不只是会写写verilog和VHDL代码这么简单，我记得刚学习verilog的时候，光是要搞明白哪些语句可以综合，哪些语句不可以综合，就花费了很长时间。硬件开发语言是要映射成数字逻辑电路的，随着做FPGA的时间长了，写代码的时候脑子里都是0/1的翻转，会逐渐映射出一个个与非门、触发器、存储器，以及他们之间的连线，并且时时刻刻考虑怎样设计才能保证面积最小或者延迟最低。功能做对了还要考虑时序的优化，就算你功能设计的再完美，代码写的再简洁，设计的时候没有考虑时序，一切都是花架子、空摆设。

一个成熟的FPGA不仅是熟悉FPGA就好，最基本的接口协议就能罗列一大堆，够你啃很久了，不懂接口协议FPGA就是孤家寡人，没有数据的交互，什么都干不了。如果要用FPGA做算法，还需要学习更高级的语言做仿真和验证，更重要的是要把算法映射到FPGA的硬件资源或者外设，并基于速度、面积和功能做平衡，做优化。还是挺有挑战呢。

FPGA是介于软硬件之间的一朵奇葩。你用它做接口、做通信，它就偏向硬件；你用它做算法、做控制，它就偏向软件。而且随着人工智能、机器视觉的崛起，FPGA更加偏向软件算法的异构，有和GPU一争高下的潜力。想想都有些小激动呢。

所以，正在做和准备做FPGA的兄弟姐妹们，我们已经在路上了，也许你面前沟沟坎坎很难走，甚至有一堵墙遮光蔽日，请你相信前途是光明的，凭着死磕的精神继续走下去，每天都会有收获。

看了以上这位FPGA高手的肺腑之言，你是不是也摩拳擦掌，跃跃欲试了！不过，要进入FGPA领域，或继续提高自己的设计水平，还的先规划一下适合自己的学习进阶之路，看看过来人的经验总结。

FPGA入门之道

对于新手学习FPGA设计，要从基础开始做，基础牢，才有成为高手的可能。

对于初学者，有以下几步是必须要走的：

第一步：学习了解FPGA结构，FPGA到底是什么东西，芯片里面有什么，不要开始就拿个开发板照着别人的东西去编程。很多开发板的程序写的很烂，我也做过一段时间的开发板设计，我觉得很大程度上，开发板在误人子弟。不过原厂提供的正品开发板，代码很优秀的，可以借鉴。只有了解了FPGA内部的结构才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的。

第二步：掌握FPGA设计的流程。了解每一步在做什么，为什么要那么做。很多人都是不就是那几步吗，有什么奇怪的？呵呵，我想至少有一半以上的人不知道synthesize和traslate的区别吧。

了解了FPGA的结构和设计流程才有可能知道怎么去优化设计，提高速度，减少资源，不要急躁，不要去在为选择什么语言和选择哪个公司的芯片上下功夫。语言只是一个表达的方式，重要的是你的思维，没有一个好的指导思想，语言用得再好，不过是个懂语言的人。

第三步：开始学习代码了。我建议要学代码的人都去Altera或Xilinx的网站上下原厂工程师的代码学习。不要一开始就走入误区。

第四步：template很重要。能不能高效利用fpga资源，一是了解fpga结构，二是了解欲实现的逻辑功能和基本机构，三是使用正确的模板。FPGA内部器件种类相对较单一，用好模板，你的逻辑才能被高效的综合成FPGA擅长表达的结构：）

做fpga主要是要有电路的思想，作为初学者，往往对器件可能不是熟悉，那么应该对于数字电路的知识很熟悉吧，fpga中是由触发器和查找表以及互联线等基本结构组成的，其实在我们在代码里面能够看到的就是与非门以及触发器，不要把verilog和c语言等同起来，根本就是不同的东西，没有什么可比性，在写一句程序的时候应该想到出来的是一个什么样的电路，计数器,选择器 ,三态门等等，理解时序，逻辑是一拍一拍的东西，在设计初期想的不是很清楚的时候可以画画时序图，这样思路会更加的清晰，还有就是仿真很重要，不要写完程序就去往fpga中去加载，首先要仿真，尤其是对比较大型一点的程序，想像自己是在做asic，是没有二次机会的，所以一定要把仿真做好，还有很多新手对于语言的学习不知道选vhdl好还是verilog好，个人偏好verilog，当然不是说vhdl不好，反正写出来的都是电路，那当然就不要在语言的语法上面花太多的功夫了，verilog 言简意赅assign always case if else 掌握这些几乎可以写出90%的电路了，上面是我的一些愚见，希望对大家有所帮助。

FPGA设计者需修炼的5项基本功

成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。

对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：

1. 仿真：Modelsim, Quartus II(Simulator Tool) riple

2. 综合：Quartus II (Compiler Tool, RTL Viewer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

3. 时序：Quartus II (TimeQuest Timing Analyzer, Technology Map Viewer, Chip Planner)

4. 调试：Quartus II (SignalTap II Logic Analyzer, Virtual JTAG, Assignment Editor)

5. 验证：Modelsim, Quartus II(Test Bench Template Writer)

掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。

练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：

1. 通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。

2. 通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。

3. 通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。

对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。

1. 搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。

2. 全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。

3. 把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。

FPGA设计者的这5项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能最有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自学自练，自我提高。

市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。如何使用现有的书籍进行自学，这是后话。

对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。

初学者常见的一些问题

1. 为什么不推荐学习MicroBlaze等软核？

性价比不高，一般的软核性能大概跟Cortex M3或M4差不多，用FPGA那么贵的东西去做一个性能一般的CPU，在工程上是非常不划算的。不如另外加一块M3。

加上软核，可能会影响到其它的逻辑的功能。这是在资源并不十分充足的情况下，再加上软核，导致布局布线变得相当困难。软核不开源，出现Bug的时候，不容易调试。工程上很少使用，极有可能派不上用场。

2. 为什么不推荐0基础学习ZYNQ或SOC？

入门应该学习尽量简单的东西，要么专心学习ARM，要么专心学习FPGA。这样更容易有成就感，增强信心。

ZYNQ和SOC的应用领域并不广，还有很多人没听过这种东西，导致求职的不利。开发工具编译时间长，浪费较多时间。绝大多数工作，都只是负责一方面，也就是说另一方面，很有可能派不上用场。

3. 为什么已经存在那么多IP核，仍需写HDL？

问这种问题的，一般是学生，他们没有做过产品，没有遇到过工程上的问题。IP核并非万能，不能满足所有需求。尽量少用闭源IP核，一旦出问题，这种黑匣子很可能让产品难产。

深入理解底一层次，可以更好地使用高一层次。该法则可以适用于所有编程语言。

现在我做FPGA开发9年多了，算是一个大龄工程师了。期间接触过一些项目管理和技术支持之类的工作，不知道为什么，脱离研发做这些工作我总觉得不踏实，也许天生就适合死磕技术。就是不知道继续这么死磕下去会怎么样，曾经也很迷茫，生怕随着年龄的增长，精力比不上年轻人，加班熬夜啥的心有余而力不足，会被逐渐淘汰。迷茫啥的就不细谈了，好在我也想了很多，逐渐想明白了很多，希望阅读本文的你能像我一样坚持下去，遇到问题不要怕，要有死磕到底的精神，慢慢积累，慢慢了解，能在FPGA这个圈子里闯出一片天地。

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