如何学习FPGA

经常会有初学者问，怎样学FPGA，有木有优秀教材推荐。问的人多了，一两句话又说不清楚，还是写篇博文吧。

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一、入门首先要掌握HDL（HDL=verilog+VHDL）。

第一句话是：还没学数电的先学数电。然后你可以选择verilog或者VHDL，有C语言基础的，建议选择VHDL。因为verilog太像C了，很容易混淆，最后你会发现，你花了大量时间去区分这两种语言，而不是在学习如何使用它。当然，你思维能转得过来，也可以选verilog，毕竟在国内verilog用得比较多。

接下来，首先找本实例抄代码。抄代码的意义在于熟悉语法规则和编译器（常用的编译器有：Quartus、ISE、Vivado、Design
Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Lattice的Diamond、Actel的Libero、Synplify
pro），然后再模仿着写，最后不看书也能写出来。编译完代码，就打开RTL图，看一下综合出来是什么样的电路，用数电的思维去思考HDL，而不是用C语言或者其它高级语言。在这一阶段，推荐的教材是《Verilog HDL数字设计与综合》或者是《用于逻辑综合的VHDL》。不看书也能写出个三段式状态机就可以进入下一阶段了。

此外，你手上必须准备Verilog或者VHDL的官方文档，《verilog_IEEE官方标准手册-2005_IEEE_P1364》、《IEEE
Standard VHDL Language_2008》，以便遇到一些语法问题的时候能查一下。

二、独立完成中小规模的数字电路。

现在，你可以设计一些数字电路了，像交通灯、电子琴、DDS等等，推荐的教材是《Verilog
HDL应用程序设计实例精讲》。在这一阶段，你要做到的是：给你一个指标要求或者时序图，你能用HDL设计电路去实现它。这里你需要一块开发板，可以选Altera的cyclone IV系列，或者Xilinx的Spantan
6。还没掌握HDL之前千万不要买开发板，因为你买回来也没用。这里你没必要每次编译通过就下载代码，咱们用modelsim仿真（此外还有QuestaSim、NC
verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具），如果仿真都不能通过那就不用下载了，肯定不行的。在这里先掌握简单的testbench就可以了。推荐的教材是《WRITING
TESTBENCHES Functional Verification of HDL Models》。

三、学会设计方法和设计原则。

你可能发现你综合出来的电路尽管没错，但有很多警告。这个时候，你得学会同步设计原则、优化电路，是速度优先还是面积优先，时钟树应该怎样设计，怎样同步两个异频时钟等等。推荐的教材是《FPGA权威指南》、《IP核芯志-数字逻辑设计思想》、《Altera
FPGA/CPLD设计》第二版的基础篇和高级篇两本。学会加快编译速度（增量式编译、LogicLock），静态时序分析（timequest），嵌入式逻辑分析仪（signaltap）就算是通关了。如果有不懂的地方可以暂时跳过，因为这部分还需要足量的实践，才能有较深刻的理解。

四、学会提高开发效率。

因为Quartus和ISE的编辑器功能太弱，影响了开发效率。所以建议使用Sublime text编辑器中代码片段的功能，以减少重复性劳动。Modelsim也是常用的仿真工具，学会TCL/TK以编写适合自己的DO文件，使得仿真变得自动化，推荐的教材是《TCL/TK入门经典》。此外，你也可以使用System
Verilog来替代testbench，这样效率会更高一些。如果你是做IC验证的，就必须掌握System Verilog和验证方法学（UVM）。推荐的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》和《The
UVM Primer》。

五、增强理论基础。

这个时候，你已经会使用FPGA了，但是还有很多事情做不了（比如，FIR滤波器、PID算法、OFDM等），因为理论没学好。我大概地分几个方向供大家参考，后面跟的是要掌握的理论课。

1、信号处理——信号与系统、数字信号处理、数字图像处理、现代数字信号处理、盲信号处理、自适应滤波器原理、雷达信号处理

2、接口应用——如：UART、SPI、IIC、USB、PCIE、rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太网接口)、SATA、光纤

3、无线通信——信号与系统、数字信号处理、通信原理、移动通信基础、随机过程、信息论与编码

4、CPU设计——计算机组成原理、单片机、计算机体系结构、编译原理

5、仪器仪表——模拟电子技术、高频电子线路、电子测量技术、智能仪器原理及应用

6、控制系统——自动控制原理、现代控制理论、过程控制工程、模糊控制器理论与应用

7、压缩、编码、加密——数论、抽象代数、现代编码技术、信息论与编码、数据压缩导论、应用密码学、音频信息处理技术、数字视频编码技术原理

现在你发现，原来FPGA会涉及到那么多知识，你可以选一个感兴趣的方向，但是工作中很有可能用到其中几个方向的知识，所以理论还是学得越多越好。如果你要更上一层，数学和英语是不可避免的。

六、学会使用MATLAB仿真。

设计FPGA算法的时候，多多少少都会用到MATLAB，比如CRC的系数矩阵、数字滤波器系数、各种表格和文本处理等。此外，MATLAB还能用于调试HDL（用MATLAB的计算结果跟用HDL算出来的一步步对照，可以知道哪里出问题）。推荐的教材是《MATLAB宝典》和杜勇的《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》。

七、足量的实践。

这个时候你至少读过几遍芯片手册（官网有），然后可以针对自己的方向，做一定量的实践了（期间要保持良好的代码风格，增加元件例化语句的可读性，绘制流程图/时序图，撰写文档的习惯）。比如：通信类的可以做调制解调算法，仪表类的可以做总线分析仪等等。不过这些算法，在书上只是给了个公式、框图而已，跟实际的差距很大。那么，你可以在知网、百度文库、EETOP论坛、opencores、fpga4fun、Q群共享、博客上面找些相关资料（校外的朋友可以在淘宝买个知网账号）。其实，当你到了这个阶段，你已经达到了职业级水平，有空就多了解一些前沿技术，这将有助于你的职业规划。

下面这两个阶段是给感兴趣的朋友介绍的。

八、数电的尽头是模电。

现在FPGA内部的事情是难不到你的，但是信号出了FPGA，你就没法控制了。这个时候必须学好模电。

比如电路分析、模拟电子技术、高频电子线路、PCB设计、EMC、SI等等，能设计出一块带两片DDR2的FPGA开发板，就算通关了。具体的学习路线可以参考本博客的《如何学习硬件设计——理论篇》和《如何学习硬件设计——实践篇》。

九、学无止境。

能到这个境界，说明你已经很厉害了，但是还有很多东西要学的，因为FPGA常常要跟CPU交互，也就是说你得经常跟软件工程师交流，所以也得懂点软件方面的知识。比如ARM（Xilinx的ZYNQ和Altera的SOC会用到ARM的硬核，请参考本博客的《如何学习嵌入式软件》）、DSP、linux、安卓、上位机(QT、Labview、C#、JAVA)都可以学一下，反正学无止境的。