本帖最后由 CholeShan 于 2024-10-7 12:21 编辑
一、FPGA是什么？
FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程的集成电路，我们在做硬件电路设计时，流程通常是先设计原理图，然后绘制PCB板，最终经过厂家工业制造获得实物电路板，至此电路的基本功能已经定型，如果在调试的时候发现一些bug，那么可以通过飞线等一些方式进行补救和调试，这些方式都比较局限，寻找并更正bug后有需要重新制PCB，因此会有更久的时间周期和更多的成本。而对于FPGA而言，就如一套非常先进的乐高积木，这套积木不仅仅是形状和颜色各异，而且每一块积木都像是一个微小的智能机器人，能够根据你的指令执行特定的任务。在FPGA的世界里，这些“乐高积木”就是逻辑门，它们是构建数字电路的基本单元，我们仅仅是通过编程即可调用和重新分配FPGA芯片上的资源，实现自定义的功能和规则，因此根据这一突出的优势，FPGA也通常被用来做产品开发阶段中的验证环节。
二、FPGA中的一些主流应用
这里列举一些比较常见应用领域：
- 数字信号处理：FPGA的高速并行处理能力使其在数字信号处理领域表现出色，特别适合于完成FIR等数字滤波这样重复性的数字信号处理任务。其性能往往超过通用DSP处理器的串行执行架构，因此在高速并行的数字信号处理任务中，FPGA的应用十分广泛。因此，比如在通信领域，尤其在无线通信领域，FPGA可以用于实现高速数字信号处理、信道编解码、同步算法、调制/解调、上/下变频等关键技术。由于FPGA的可编程灵活性以及低延时性，在通讯协议经常变化和升级的情况下具有独特优势。
- 视频图像处理：如果我们把数字信号简单看成一维数据，那么图像也可被看做二维的数字信号，而视频则是与时间相关二维数字信号。随着对图像质量要求的提高，FPGA在视频图像处理领域的应用也越来越受到市场的欢迎。它可以高效地处理大量数据，并实现复杂的图像压缩算法，适用于高清视频处理和图像稳定性、清晰度、亮度和颜色的提升，这在高速相机中应用较为广泛。
- 高速接口：FPGA的高速处理能力和多达成百上千个的IO使其在高速接口设计领域具有独特优势。它可以简化硬件外设，减少体积，并提高数据交互的效率，适用于与PC端的数据交互以及多种通信接口的实现。
- 人工智能：FPGA在人工智能系统的前端部分得到了广泛应用，例如在自动驾驶、智能机器人等领域，FPGA用于对传感器数据进行采集、处理和融合。它的并行计算能力和低功耗特性使其非常适合在嵌入式系统中实现AI功能。
- IC设计：在IC设计领域，FPGA用于仿真测试和验证，通过将IC的代码移植到FPGA上进行测试，可以确保设计的准确性并减少流片的风险。这种方式可以在设计初期验证IC的功能，提高设计的成功率。
三、FPGA的学习路线
FPGA虽然也是通过编程的方式进行开发，但是在设计思维上与软件设计思维截然不同，因此这也是很多有编程基础的人想转FPGA方向但是非常不适应的主要原因。从开发语言上来看，FPGA所用到的开发语言Verilog HDL或者VHDL等，这些被称为硬件描述语言，语法上与C等一些常用的吧教程语言很相似，同样都有一些for，if语句之类的，但是底层的实现却不一样。因此建议在学习FPGA的过程中，需要一直清楚地明白所设计的为一种数字电路，而不是一段程序。
下面是一些FPGA的学习路线：
- 基础理论：数字电路（数字逻辑、组合逻辑、时序逻辑、状态机等）
- 硬件描述语言：学习Verilog或VHDL，这是FPGA编程的基础。
- 开发工具：熟悉Xilinx Vivado或其他FPGA开发工具，比如Quartus等，以及一些仿真测试软件Multisim等，熟悉开发和仿真的联合使用。
- 基础实验：学习硬件离不开开发板，需要将写好的demo在开发板上运行，就如C中的“hello world”一样。
- 综合项目实践：此时可以根据兴趣和方向做一些有针对性的学习，比如通信接口设计方向，那么就需要学习各种通信协议，图像处理方向就需要学习图像处理算法，并通过FPGA的方式实现等。
- 高级主题学习：这一部分就需要学习更多的高阶设计技巧，这也是笔者正在探索学习和积累的环节，比如一些时序分析及约束，资源的优化，低功耗设计等。
FPGA的相关材料及书籍:
- 《数字电子技术基础》（高等教育出版社，阎石）
- 《深入浅出玩转FPGA》（北京航空航天大学出版社，吴厚航）
- 《FPGA时序约束与分析》（清华大学出版社，吴厚航）
- 《Verilog数字系统设计教程》（北京航空航天大学出版社，夏宇闻）（verilog语法经典书籍）
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