如何兼顾学习ARM与FPGA

本文提供了一套从大一到大四的FPGA与编程技术学习路径,强调通过实际编程和硬件设计实践来掌握核心技术,包括C语言、数字电路、模拟电路、FPGA应用等,旨在培养高素质的电子技术与嵌入式系统开发人才。

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我是自学的FPGA,我认为学习靠的是坚持,打好基础很重要。再为自己定一个学习目标,就OK啦!

对于初学者来说,要学的知识点很多,到底从哪里下手,人们常常感到非常迷茫。

    大一学生先从C语言开始入门,在大一阶段由于对计算机还非常陌生,因此不可能写出一个具有完整图形界面的软件,重点以“与硬件无关的计算方法、数据结构”为基础学习C语言,至少练习编写一万行C代码,否则不会找到编程的感觉,也体会不到编程乐趣,很多人就是因为缺乏一定量的训练,所以对编程没有兴趣,以至于未到毕业时就全部忘记了,程序设计是一项实践性很强的实践活动,没有大量的实践作为基础是很难入门的,因此我认为编写一万行代码是判定是否入门的依据。请初学者记住:当你编写了一万行代码时,这是你能够从事专业的开始,否则你不要期望在这个领域混下去。与此同时,C语言也是学习和使用Verilog的重要基础,所以千万不可小视C语言。更重要的是,如果你的C语言不好的话,你将来就业选择的路子就会受到很大的限制,要么只能做硬件工程师、销售工程师或者转行,别无选择!

    有了一万行编程的经验后,大二接着开始学习数字电路和模拟电路了,这是你的机会!将来的开发工作有几种选择,但这两门都很重要,学好了你有可能成为顶尖的高手、专家和系统级水平的人才,即便学得不太好,你也有可能成为一个优秀的工程师。前一篇博文讲了,如果你精通了C/C++,即便你的硬件水平一般,你也可以成为一个优秀的开发工程师,即由硬件工程师负责逻辑电路和模拟电路的设计,由你来编程——你可以编写基于WinCE、Linux、Vxworks或者Windows等操作系统的程序。那么怎样才算基本上“精通”呢?至少编写五万行代码,当你已经编写了10万行代码时,可以说你已经完全精通了,这个时候你如果有很大的造化的话,那完全取决于你当初学习的基础是否牢固了。所以我在前面提到了,精通一门可以成为优秀的开发工程师,但绝对不可能成为系统级的开发工程师,因为你的知识结构不行。

    最好在学习数字电路时购买一个99元的EasyFPGA030开发学习板,这个板子是我们开发的,但这个价格是没有利润的,不要认为我是在做推销,我们推出这个产品完全是针对大二学生的,希望有更多的大二学生提早醒悟,能够在学习数字电路时同步学习FPGA和Verilog,强化课程之间的关联。笔者虽然是一个企业家,但也有一份爱心和社会责任感,为社会做出自己的贡献同样也是企业家的“销售业绩”,我们为这个开发板撰写了30万字的配套资料和适合各种水平的范例,也投入了大量的精力录制Verilog语言视频讲座,这些都是超值和免费的。与此同时从2009年开始着手针对大二和大三学生举办FPGA大赛,以提高在校大学生的兴趣,让那些觉悟者进一步提高自信心,找到自己未来的坐标。学好数字电路和模拟电路以及FPGA应用技术,除了成为电子产品开发工程师之外(高附加值的嵌入式系统产品几乎离不开FPGA),还有一个就业方向就是号称“金饭碗”的集成电路设计。

     作为初学者,在学习《电子技术基础(数字部分)》时同步学习FPGA与Verilog技术的重点是快速入门和打下一定的基础,根据配套的教材和数字电路教材的内容将基本的数字电路用FPGA实现即可,这是本阶段的学习目标,不要将学习高深难度的应用技术作为重点。并利用课余和暑假期间的空余时间,将一些图书上现成的使用数字电路实现的例子用FPGA来完成设计即可,比方如何使用FPGA 实现一个计数器,并动手做出来。到大三阶段在做出选择,到底是选择成为一个专业的FPGA应用设计工程师、还是嵌入式系统与FPGA混合应用系统设计工程师或集成电路开发工程师,以自己的兴趣和志向为基础而定,所以在学习嵌入式系统技术的同时学习FPGA,两者之间并不矛盾。

    最好在大一开始学习单片机,这就是笔者为何撰写《新编电类专业计算机基础》这本图书的原因(详见破解电类专业“就业难、人才荒”的解决方案!(4))。因为大一不学习单片机,后面的课程都没有办法学好。对于大一学习单片机,很多老师不去用心研究学习方法和教学规律,反而搬出一大堆理由来“吓唬”人。笔者当年仅仅是一个技校生,在完全没有指导老师的情况下,也找不到可以参考的技术资料,只是凭着偶尔看到一篇报道罗伯特设计的Altair 8800计算机就做出了一台不需要工作软件的计算机(改进型的Altair-80C31电路详见《新编电类专业计算机基础》教材)。要相信现在公开的信息、资讯条件、人们的聪明智慧与教师的力量,因此大学本科生在大一阶段学会单片机是非常容易的一件事情。

    有了单片机基础之后,在大二阶段学习数字电路与模拟电路的同时,结合单片机学习接口扩展技术与模拟前向通道数据采集技术,并编写相应的程序实现一个一个的小系统设计,大三时根本不再需要学习所谓的接口技术与微机原理了。针对数字电路与模拟电路笔者准备写作一套小系统设计与制作配套图书,将前后之间的课程也同步和关联起来,期望进一步提高大学生的动手能力。

    有了大一、二阶段强化训练,后续的很多课程度可以理论与实践并重地学习,比方目前大学开设的《自动控制理论》几乎都是空对空地教学与联系,如果结合自动控制理论的教学,让学生学习设计一个自动穿越迷宫的电脑鼠,并举办相应的大赛,则能够很好地将嵌入式系统应用技术、数字电路与模拟电路、计算方法与数据结构、机构设计......相关课程有机地结合起来,学生的兴趣将大大地得到提高。

    当学生有了学习的兴趣和动力之后,教学势必由老师个人在课堂上演“独角戏”的场面转变为研讨会,学生也一定会竭尽全力由被动学习向主动学习转变,这就是教育要达到的目标,所以我们不能一味地指责学生不好学。作为老师我们一定要思考和拿出行动,让学生喜欢并愿意向您学习。事实上学生的未来完全取决于老师的引导,现在教师队伍存在的很大毛病就是将责任推向扩招和学生不好好学,扩招有没有问题?当然有,但作为教师我们做得怎么样呢?我们是否在教学上做出了巨大的努力,这需要我们扪心自问。

    学生不好好学,这也是事实!但也是表象,我们要思考他们为什么不好好学习?我们应该怎样才能让他们好好地学?作为老师,第一不能给学生划定考试范围,第二学生缺课要坚决扣分,如果做到这两点基本的要求,学生不好好学就制度处理,我想效果会有很大的改变。当然就业难的责任也不能完全推给老师,但老师们应该做到自己该做到的,因为家长都希望老师们对他们的子女严格要求,更迫切的需求就是让他们的子女学到真本事,他们肯定支持教师的行动。

    进入大三阶段则需要有选择地重点学习嵌入式操作系统原理与编程、嵌入式系统与FPGA的混合系统设计或者全力以赴钻研FPGA应用技术等技术方向,大四阶段就可以真刀真枪地完成一个漂亮的毕业设计,并能够写出一篇比硕士水平还要高的论文。
<think>好的,用户之前问过关于Verilog中将二维寄存器数组转换为一维数组的问题,现在他问的是学习FPGA应该学习哪些基础源语。首先,我需要明确“源语”可能是指“原语”或者“基本语法结构”,可能用户有拼写错误,或者是指FPGA中的基本构建块,比如硬件描述语言中的基本元素FPGA底层原语。 用户可能是FPGA的初学者,刚开始学习,想要知道需要掌握哪些基础内容。他之前的问题涉及Verilog,所以可能对硬件描述语言有一定了解,但需要更系统地学习FPGA的基础知识。我需要考虑他的学习路径,从HDL基础到FPGA架构,再到具体的设计方法。 首先,要确定用户可能需要的知识结构。FPGA学习通常包括硬件描述语言(如Verilog或VHDL)、数字电路基础、FPGA架构、设计工具的使用、时序分析、验证方法等。用户提到的“源语”可能指的是HDL中的基本语法FPGA底层原语,比如逻辑门、触发器、存储器模块等。 接下来,需要整理这些内容,分门别类地介绍。比如,HDL基础包括模块定义、端口声明、数据类型、运算符、控制结构等。FPGA底层原语可能包括LUT、触发器、BRAM、DSP模块、时钟资源等。还需要提到设计方法工具使用,比如仿真、综合、布局布线、时序约束等。 同时,用户可能对如何应用这些原语进行实际设计感兴趣,比如如何用Verilog描述组合逻辑时序逻辑,如何使用IP核,如何进行时序优化等。此外,验证方法如仿真测试平台设计也是重要部分。 还要考虑用户可能的背景,如果是电子工程或相关专业的学生,可能已经有数字电路的基础,但如果是转行者,可能需要更基础的指导。因此,回答需要兼顾不同层次,既涵盖基础知识,又提供进阶方向。 最后,确保回答结构清晰,分点列出,方便用户逐步学习。可能需要补充一些学习资源或推荐书籍,帮助用户进一步学习。</think>学习 FPGA 开发需要掌握硬件描述语言(HDL)的核心语法、FPGA 底层硬件原语(Primitives)以及基本设计思想。以下是关键学习内容的分类整理: --- ### 一、**硬件描述语言(HDL)基础语法** 无论是 Verilog 还是 VHDL,必须掌握以下核心语法: #### 1. **模块定义(Module)** - **作用**:构建电路的基本单元,类似软件中的函数。 - **示例(Verilog)**: ```verilog module my_module ( input wire clk, // 输入端口 input wire [3:0] data_in, output reg [7:0] result ); // 内部逻辑... endmodule ``` #### 2. **数据类型操作符** - **基础类型**:`wire`(连线)、`reg`(寄存器)、`integer`(整数)。 - **位宽定义**:`[7:0]` 表示 8-bit 总线。 - **运算符**:`&`(按位)、`|`(按位或)、`<<`(左移)、`+`(加法)等。 #### 3. **组合逻辑时序逻辑** - **组合逻辑**:无时钟驱动,通过 `assign` 或 `always @(*)` 实现。 ```verilog assign out = a & b; // 门 ``` - **时序逻辑**:依赖时钟信号,通过 `always @(posedge clk)` 实现。 ```verilog always @(posedge clk) begin q <= d; // D 触发器 end ``` #### 4. **控制结构** - **条件语句**:`if-else`、`case`。 - **循环语句**:`for`、`while`(通常用于仿真,实际硬件中慎用)。 --- ### 二、**FPGA 底层硬件原语(Primitives)** FPGA 厂商提供的基础硬件单元,直接映射到芯片物理资源: #### 1. **基本逻辑单元** - **LUT(Look-Up Table)**:实现组合逻辑的核心单元。 - **触发器(Flip-Flop, FF)**:存储时序逻辑状态。 - **多路复用器(MUX)**:通过 `case` 或 `assign` 描述。 #### 2. **专用硬件模块** - **Block RAM(BRAM)**:片上存储器,用于 FIFO、缓存等。 ```verilog // Verilog 示例(Xilinx) (* ram_style = "block" *) reg [7:0] mem [0:255]; ``` - **DSP Slice**:硬件乘法器/累加器,用于高速运算。 - **时钟管理单元(MMCM/PLL)**:生成稳定时钟信号。 - **IOB(Input/Output Block)**:处理输入输出电气特性(如电平、驱动强度)。 #### 3. **原语调用(以 Xilinx 为例)** - **直接实例化原语**: ```verilog // 调用一个触发器(FDRE) FDRE #( .INIT(1'b0) // 初始值 ) FF_inst ( .Q(q), // 输出 .C(clk), // 时钟 .CE(ce), // 时钟使能 .R(rst), // 复位 .D(d) // 输入 ); ``` --- ### 三、**核心设计思想** #### 1. **同步设计** - 统一使用全局时钟驱动时序逻辑。 - 避免异步复位(优先使用同步复位)。 #### 2. **流水线技术** - 分割组合逻辑为多级寄存器,提升时序性能。 - 示例:将 32-bit 加法拆分为 4 级 8-bit 加法。 #### 3. **资源复用** - 通过状态机控制共享资源(如分时复用乘法器)。 #### 4. **时序约束** - 定义时钟频率、输入输出延迟(`.xdc` 文件): ```tcl create_clock -period 10 [get_ports clk] # 100MHz 时钟 set_input_delay -max 2 [get_ports data_in] ``` --- ### 四、**工具链调试** #### 1. **开发工具** - **Xilinx**:Vivado(含逻辑分析仪 ChipScope/ILA)。 - **Intel (Altera)**:Quartus + SignalTap。 - **仿真工具**:ModelSim、VCS、Verilator。 #### 2. **调试技巧** - **插入探针**:通过 ILA 实时抓取信号。 - **时序分析**:查看时序报告(Setup/Hold Time Violations)。 --- ### 五、学习路径推荐 1. **入门阶段**: - 掌握 Verilog/VHDL 基础语法。 - 实现简单电路(如计数器、状态机)。 2. **进阶阶段**: - 学习 FPGA 架构(LUT/BRAM/DSP 分布)。 - 实践高速接口(UART、SPI、DDR 控制)。 3. **高级阶段**: - 优化时序(流水线、约束调整)。 - 开发复杂系统(SoC、软核处理器集成)。 --- ### 六、关键学习资源 1. **书籍**: - 《Verilog HDL 高级数字设计》(Ciletti) - 《FPGA原理结构》(天野英晴) 2. **在线课程**: - 慕课网《FPGA 入门到精通》 - Coursera《Hardware Description Languages for FPGA Design》 3. **实战平台**: - 入门:Basys3(Xilinx Artix-7) - 进阶:Zynq-7000(ARM + FPGA) --- 掌握这些基础后,可逐步深入高速信号处理、异构计算(如 HLS)等方向。FPGA 开发需坚持“理论 + 实践”,重点培养硬件思维!
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