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FPGA 101：入门指南

作者： Taylor Roorda 2018-07-17

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如果您是二元思维的人，那么不要错过第 1 到 4 部分内容。在这篇博客中，我将简单介绍我最感兴趣的电子器件：现场可编程门阵列 (FPGA)。当我和人们谈起 FPGA 时，我听到很多人说：“我不知道它们的工作原理”、“它们太复杂了”、“我无法用 C 语言编程”。我不希望看到这样一种神奇的器件遭受如此冷遇，因此下面我将尝试解答一些常见问题。

什么是现场可编程门阵列？

详细解答如下：顾名思义，有人推断它是可编程的逻辑门结构。这种解释很接近，但又不太准确，因为内部逻辑阵列实际并不是利用门来实现的。相反，我们将阵列中的这些块称为逻辑单元。这些逻辑单元通常由查找表 (LUT)（用于实现任意逻辑功能）以及一些辅助电路（例如多路复用器、加法器和触发器）构成。您会经常听到人们将这种逻辑单元阵列称为“FPGA 结构”。

图 1：FPGA 逻辑单元示例。（图片来源：Wikimedia Commons）

简而言之，我可以将 FPGA 比作一个盒子，里面装有各种没有商标、用于构建数字电路的彩色构件。我可以通过适合我的应用的任何方式，将这些构件连接到一起。如果您能描述数字电路如何工作，就能用足够的逻辑单元在 FPGA 内构建该电路。需要 25 个 PWM 输出？没问题。需要特殊通信协议？对某些硬件进行编程来处理该协议。

为什么我会需要 FPGA？

FPGA 可用于实现数字系统，但简单的微控制器通常也能够达到同样的效果。微控制器价格低廉，而且易于放置在印刷电路板上。虽然 FPGA 是一种功能强大的工具，但未必适合所有情况。它们有更多的功耗、布局和外部电路要求，甚至可能非常苛刻。使用成本高昂且具有诸多特殊要求的 FPGA 似乎有些不合时宜。

但您也许已经猜到了需要 FPGA 的原因：灵活性。您拥有可配置的逻辑块，就意味着不再受到硬件的制约。您不会再遇到定时器或 UART 不够用的情况，只要您拥有逻辑单元便可创建更多定时器或 UART。它能够随着技术和要求的变化，在今后进行重新配置，从而延长产品的生命周期。

第二个原因是速度。微控制器只能按顺序一次执行一条指令。由于硬件特性，FPGA 结构本身是并行的。因此它能同时执行多个指令，这对于 FFT 或图形处理等操作非常有用，因为在按顺序执行的处理器上，这些操作可能产生很高的成本。与 LVDS 等典型微控制器相比，FPGA 还提供了更多高速 I/O 选项，收发器能够以 10+ Gbps 的速度处理 HDMI 等协议。

如何为 FPGA 编程？

FPGA 采用一种名为 HDL（即硬件描述语言）的特殊语言。它主要包含两种语言：Verilog 和 VHDL。几乎所有开发套件（例如 Quartus 或 Vivado）都支持这两种语言，所以选择哪种语言只是偏好问题。然后对这两种语言进行“合成”，这类似于微控制器的编译。合成工具告诉 FPGA 如何连接其逻辑单元，以产生代码所描述的效果。请记住，代码被转换为硬件指令而非 CPU 指令，在您开始使用时，务必牢记这一点。

为了简化开发，FPGA 供应商提供了常用代码块目录，供您轻松置入到设计中。其中包括倍频器、RAM 和通信块等。您可对它们进行配置并添加到设计中，而无需查看涉及的 HDL 代码，从而加快开发速度。

图 2：显示来自 Xilinx 目录和 HLS 的 IP 块的部分框图。（图片来源：eewiki.net）

有些供应商还提供高级别合成 (HLS) 工具，能够将使用 C 或 C++ 语言编写的功能转换为 HDL 代码块。使用这些工具，可以通过抽除一些低级别细节，显著减少具有软件背景的开发人员的入门障碍。

仍然不太相信？我最喜欢的 FPGA 功能之一是它能够使用软处理器。软处理器是从 FPGA 的逻辑单元构建的完整处理器。利用软处理器，您能够为处理器构建定制的辅助硬件，并使用 C 语言编写应用程序。您可在短短几分钟内完成简单的软处理器系统设置和编程。如果您仍然需要传统处理器，可考虑在单一封装中包含 FPGA 和硬 ARM 处理器的 SoC。

总而言之，与典型的微控制器相比，FPGA 的成本更高，使用难度更大，但如果您需要，它们能够提供更强的性能和灵活性。随着技术的改进，集成度的提高，FPGA 的成本变得更低，它们甚至能够取代传统的微控制器。如果您对上述任何内容感兴趣，可以立即开始使用 FPGA，这将让您能够走在业界的前沿。如果您正在寻找一种低成本的入门开发板，请了解我们的 FPGA 供应商提供的这些开发板：DE10-Lite（来自 Terasic）、Arty（来自 Digilent）、Mobile Dev Board（来自 Lattice）、Maker Kit（来自 Microsemi）。