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FPGA就是一个神器，貌似在数字世界里无所不能，它就像乐高的积木一样可以搭建各种不同的功能模块，实现你所希望的各种功能，当然，首先你必须掌握最基本的数字逻辑知识，学会一种用来构建各种功能的工具语言（在这里我们推荐广受欢迎的Verilog），再次你要动脑（考验的是你的逻辑思维是否清晰），一个优秀的建筑师的作品是在脑子里勾画出来的，而不是拿积木碰运气拼凑出来的。

在进入正式的学习之前，先给大家提供两本基础的英文书，同学们可以下载了进行阅读（在无法上网和流量将用尽的时候最好、最让自己不内疚的消遣方式）

同时建议大家能够大量阅读维基百科上面关于FPGA的词条信息，访问维基百科不需要翻墙，但同学们一定要阅读英文的资料，而不是中文的。

来，正式开始宏大的FPGA学习历程。。。

1 数字逻辑、可编程逻辑及FPGA

FPGA（Field Programmable Gate Array）译作中文为：现场可编程门阵列，也就是设计者可以在现场对可定制的数字逻辑进行编程的集成电路，相比于其它的硬件构成，它允许你构建你所需要的硬件而不需要ASIC（专用集成电路），而且比采用微处理器内核更简单、快速、省电。

关于FPGA的大概介绍，参考我们的培训文档：ECBC可编程逻辑基础PPT

1.1 为什么用FPGA？

FPGA的技术优势：灵活的开发周期、更低的设计迭代成本、更低的一次性工程费用（NRE），易于评估和实现的可选设计架构，新产品上市时间快。 相比于ASIC和MCU来讲，FPGA具有以下优势：

  1. 功能强大，并大量并行处理结构；可以实现数字设计领域几乎所有的功能 － 组合逻辑、时序逻辑、存储、处理器；现今的FPGA芯片集成了更多功能，比如PLL时钟产生、分配、驱动，支持各种高速接口规范的可编程IO，硬核化的SPI／I2C总线以及ARM内核等，增强的DSP单元，Altera公司（现已被Intel收购）的MAX10甚至集成了串行ADC能够对监测环境的温度。
  2. 开发快，上市时间短，适合原型设计或小批量产品，FPGA高度灵活，设计实现和后续优化的灵活性可以显著影响项目的进度、设计的复杂度，降低项目的风险，便于更改和升级。
  3. 重复编程/配置，灵活、快速
  4. 集成度高，可以通过选用不同规模的器件实现自己所需要的功能，内部功能模块之间的通信和接口的速度、性能都会较多个分立的芯片之间互连有明显的改善，节省板卡空间，便于调试

1.2 FPGA设计需要的技能

FPGA在各个领域都是必不可少的一种硬件工具，掌握并有效使用FPGA对当代的电子设计工程师来讲是非常必要的，要做到较好的FPGA设计需要具备如下的一些技能：

1.2.1 具备自己设计高速数字电路板（PCB）的能力并且掌握[[DSP]]的基础理论
1.2.2 还要掌握至少一门硬件描述语言（HDL）
1.2.3 从系统高度设计你的系统
1.2.4 具体实现 － 通过软件／DSP设计

1.3 PLD／FPGA的结构

1.3.1 FPGA基本功能

FPGA结构

组成数字电路的三个基本部分为：门、寄存器以及将这些门（Gate）、寄存器（Register）连接起来的连线（Wire）。

FPGA逻辑单元构成举例

1.3.2 FPGA增强功能
  1. 内置处理器：软核 & 硬核 & DSP
  2. 时钟及管理：PLL、DLL、驱动／分配
  3. IO：多种高速收发、DDR存储器访问、可编程数控阻抗
  4. 嵌入MAC单元 － 高效浮点运算
  5. 各种内置存储器：双口RAM、FIFO
  6. 各种常用接口：I2C、SPI等
  7. 系统监控：内置ADCs

1.4 主要供应商

1.5 FPGA的选型决策原则

  1. 功能／资源：逻辑单元、存储器、处理能力、IO、处理器内核、DSP
  2. 封装：满足管脚数量以及板卡的物理尺寸要求
  3. 功耗：满足系统对供电的限制需求
  4. 开发工具／难度：影响设计难度和开发时间，尽可能选择易于开发、调试的器件架构
  5. 系统成本：包括配置RAM、外供电源、时钟等，除了器件成本之外还要考虑实现成本、支持成本等。
  6. 购买难度：价钱／数量／供货渠道
  7. 灵活性：便于将来的产品修改和升级
  8. 技术支持：供应商是否能够提供良好的技术支持，乃至培训

1.6 设计流程及工具

当前FPGA的设计最常用的都是通过硬件描述语言（HDL），主要有两种 － Verilog HDL或VHDL语言。

1.7 FPGA应用中的注意事项

1.7.1 硬件设计
  1. 管脚分配：输入/输出类型，预留功能管脚，方便布线
  2. 时钟：全局时钟 vs 局部时钟，PLL vs DLL，是否驱动
  3. 电源：内核电压／接口电压及其相应电流，上电时序
  4. 编程：JTAG、配置、在线更新
  5. 测试点：关键信号 － 时钟、电源、关键IO
1.7.2 代码开发
  1. 善用IP Core：调用原厂提供的经过验证过的IP内核
  2. 硬件设计概念：并行工作、时延
  3. 充分仿真：功能仿真、时序仿真、TestBench
  4. 调试：使用原厂提供的片上逻辑分析工具

1.8 FPGA学习和使用要借助的资源

1.9 IP Cores的有效使用

随着电子系统越来越复杂，我们不可能任何一个设计都从头自己写代码，必须学会站在巨人的肩上，充分利用现有的资源，尽快地完成自己的设计。经过几十年可编程逻辑技术的发展，可以说几乎所有的常见功能都能够找到可以参考甚至可以直接调用的IP内核，获取这些IP、能够争取地使用这些IP就是一种非常重要的能力。到哪里去找到可靠使用的内核呢？推荐如下几个途径：

2 Lattice Semiconductor的MachXO2系列FPGA

在我们的学习系统中我们选用了Lattice Semiconductor公司的MachXO2系列FPGA，主要出于以下几方面的考虑：

本节我们来看看我们选用的这个系列的FPGA有哪些特点以及应用领域。

2.1 特性

2.2 结构

MachXO2内部结构功能

可编程部分：

硬核部分： 当今的FPGA除了可编程的逻辑和IO之外，还提供了一系列常用的功能模块，以硬核的方式内嵌在芯片以内，即便用户在设计中不用这些功能，这些资源也存在于系统中。硬核化的优势在于速度快、功耗低，且这些硬核一般为常用的功能块。在MachXO2中内嵌的硬核功能主要有：

MachXO2内部的可编程功能单元构成示意图

MachXO2的Slice构成示意图

MachXO2内部的嵌入式功能模块

2.3 资源

上面我们介绍了MachXO2内部的结构，XO2系列不同的型号内部结构是相同的，但资源的多少则取决于所选择的型号，在设计中我们需要根据资源的需求来选用合适的器件，了解到这些器件的资源配置对于我们设计也是有帮助的，可以充分利用器件内部的资源简化外围电路的设计，同时也要知道器件内部的局限性，在外围进行扩展。在我们小脚丫2.0版本中我们选用了XO2-4000的型号（参见MachXO2选型表），它具有如下资源：

MachXO2 选型表

O2-256 XO2-640 XO2-640U XO2-1200 XO2-1200U XO2-2000 XO2-2000U XO2-4000 XO2-7000
查找表（LUTs）的密度 256 640 640 1280 1280 2112 2112 4320 6864
EBR RAM块(9 Kbits/block) 0 2 7 7 8 8 10 10 26
EBR SRAM(Kbits) 0 18 64 64 74 74 92 92 240
Dist. SRAM (Kbits) 2 5 5 10 10 16 16 34 54
用户Flash存储(Kbits) 0 24 64 64 80 80 96 96 256
PLL + DLL 0 0 1 + 2 1 + 2 1 + 2 1 + 2 2 + 2 2 + 2 2 + 2
支持DDR/DDR2/LPDDR存储器- - Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes
配置存储器 内部Flash
双启动 Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes
内嵌功能块 I2C (2), SPI (1), Timer (1)
内核电压Vcc 1.2 V ZE ZE - ZE - ZE & HE HE ZE & HE ZE & HE
内核电压Vcc 2.5 - 3.3 V HC HC HC HC HC HC HC HC HC

2.4 管脚分配

2.5 主要应用领域

2.5.1 微处理器的接口扩展

2.5.2 提高实时性要求较高的功能的性能

2.5.3 通过硬件加速提高系统的性能

2.6 相关设计文档

3 开发工具

3.1 Lattice Diamond集成化开发环境

  1. Diamond安装及配置，包括软件的下载、License的申请以及软件的安装整个过程。
  2. Lattice Diamond的使用，以最简单的点亮LED灯为例，简单介绍了一下该软件从编辑输入开始到最终的bitstream下载到FPGA。

3.2 硬件描述语言

在设计FPGA逻辑中有两种硬件设计语言（HDL）可以选择，一种是Verilog HDL，还有一种是VHDL，在我们的设计中选用普及率更广，更容易上手的Verilog，具体如何使用，可以参考如下的几个PPT教程：

3.3 代码规范

规范的代码风格一方面能体现你足够专业，另一方面也是最重要的一方面，代码的规范性有利于开发交流，让代码的可读性大大增强，也有利于降低代码的出错率。


4 STEP小脚丫FPGA学习平台

4.1 简介

小脚丫FPGA学习平台是摩尔吧孵化器/斯德普科技公司专门针对FPGA初学者打造的一款性价比最高、学习门槛最低的学习模块系列。系列中所有板子的大小兼容标准的DIP40封装，尺寸只有52mm x 18mm，非常便于携带；并通过MicroUSB端口进行供电和下载，板上选用的芯片兼具了FPGA和CPLD的优点，瞬时上电启动，无需外部重新配置FPGA，是学习数字逻辑绝佳的选择。而且能够直接插在面包板上或以模块的方式放置在其它电路板上以即插即用的方式，大大简化系统的设计。

小脚丫系列产品：

4.2 特色

  1. 小巧——是目前市场上最小的FPGA开发板，只有一根食指大小。兼容DIP40封装，尺寸52mm*18mm，即插即用；
  2. 方便——MicroUSB供电，携带方便；
  3. 易学——容易上手，只需花1到2个小时就能上手开始设计；
  4. 强大——精心挑选的FPGA芯片，兼具CPLD和FPGA优点，瞬时上电无需外接配置Flash。是性价比最高最适合的FPGA芯片；
  5. 灵活——既可作学习数字逻辑的FPGA开饭，也可作核心功能模块使用，适合各种DIY和原型设计；
  6. 资源——丰富的实例、代码支持；

4.3 扩展应用

小脚丫FPGA模块是兼容标准DIP40封装的功能主板，但该板的功能有限，只是支持一些简单的按键和开关输入、LED／数码管输出，因此更多的功能可以通过扩展来实现，扩展的方式主要有以下三种：

5 基于STEP小脚丫FPGA模块的实验项目

5.1 基础实验

  1. 点亮LED灯: 也叫“心跳灯”，软件编程从“Hello world”开始，FPGA编程从点亮LED灯开始，通过这个最基本的功能掌握LED工作原理和了解Verilog程序基本结构
  2. 译码器: 掌握组合逻辑的设计
  3. 乘法器：掌握乘法器的设计
  4. 流水灯：掌握时钟分频、时序控制
  5. 序列检测器：掌握有限状态机的设计
  6. 7段数码管：掌握数码管的驱动显示

5.2 进阶实验

  1. 按键消抖：掌握按键去抖动的设计
  2. 脉冲发生器：掌握PWM波形发生的设计
  3. 呼吸灯：通过PWM来控制LED灯的亮度
  4. 三色灯颜色和亮度控制：通过控制RGB三个灯的亮度可以得到不同颜色和亮度的灯光效果
  5. 旋转编码器控制：通过相位检测
  6. LCD显示：掌握LCD液晶显示驱动的设计

5.3 高阶实验

  1. 带计时功能交通灯：
  2. 简易电子琴：
  3. 数字时钟：
  4. 任意波形产生：通过[DDS]从内建的波形表中按照相位控制字获取相应相位的波形幅度值，再通过DAC得到模拟的任意频率的信号，改变波形表中的信号波形，即可得到不同的模拟波形输出。
  5. 直流电压测量：通过SPI串行总线的低速模数变换器ADC将被测量的直流电压变换为数字量，在LED（8个）上通过点亮不同的LED显示其电压幅度，也可以通过4个7段发光数码管显示其电压值，或在LCD上以数字量的方式显示实际的电压值，将0-255的数字量转变为0-3.3V的直流电压值。
  6. 简易示波器

5.4 常用功能verilog代码参考

6 自制模块构成的系统

  1. LED点阵显示屏
  2. 超声波测距
  3. 通用红外遥控
  4. 数字频率计

6 在FPGA内通过软核构成嵌入式系统

XO2-4000内部有足够的逻辑功能构成MCU中的ALU，内部的块RAM可以构成MCU需要的内部存储寄存器，另外XO2系列有硬化的SPI、I2C以及定时器功能，可以构成各种8位、32位的微处理器MCU，Lattice Diamond系统自带支持Wishbone总线的8位单片机MICO8单片机内核以及32位的MICO32处理器内核。据说这两个内核都是来自于著名的开源硬件网站www.opencores.org，在这个网站上可以看到各种经过工程师验证过的内核，比如8051、OpenRisc、AVR、MIPS32，有兴趣的同学可以移植到我们的小脚丫平台上。

  1. MICO8单片机
  2. MICO32处理器
  3. fpga项目_软核处理器

FPGA大神Adam Taylor向FPGA开发者推荐的20个资源网站