FPGA/verilog 学习笔记（1）—— FPGA和HDL基础概念

一、什么是FPGA

1. 电路基本知识

• 模拟电路

  • 工作在模拟信号下的电子电路。模拟信号是在时间和数量上的变化都是连续的信号。

• 数字电路

  • 工作在数字信号下的电子电路。数字信号是在时间和数量上的变化都是“离散”的信号。
  • 最基本的单位是 “门电路”

2. 可编程逻辑器件PLD

• 早期生产的数字集成电路（比如单片机）的逻辑功能都是固定不变的，要改变逻辑功能，就要改变内部各个单元间的连接，而这种连接已经在集成电路制作过程中固定下来了

• 后来有了可编程逻辑器件PLD

  • PLD内部的电路结构可以通过写入编程数据进行设置
  • 写入PLD的编程数据还可以擦除重写
  • PLD的逻辑功能可以由使用者通过编程来设定

• 常见的PLD

  • CPLD

    • 复杂可编程逻辑器件
    • 基于 “乘积项” 的与或逻辑阵列

  • FPGA

    • 现场可编程门阵列
    • 基于 “查找表” 的CLB阵列

  • CPLD和FPGA的区别对于编程而言是透明的，都可以用verilog语言来写

3. 什么是FPGA

• 本质
  • 一种可以通过编程来修改其逻辑功能的数字集成电路（芯片）
• 与单片机的区别
  • 对单片机编程不改变其内部的连接结构，只是根据要求实现的功能来编写运行的程序（指令）
  • 对FPGA编程，是在配置FPGA的内部电路

二、什么是HDL（硬件描述语言）

1. 数字系统设计流程

• 数字系统设计流程
  • 逻辑设计（前端）
    • 使用硬件描述语言HDL
    • 使用原理图输入法：通过直接输入原理图来进行逻辑设计。但随着电路设计规模不断增加，原理图越来越复杂，而对逻辑电路及系统的设计时间要求越来越短，这种方式已经不能满足需要
  • 电路实现（后端）
    • HDL所描述的电路可以通过综合工具将其转换为门级电路网表，然后将其与某种工艺的基本元件逐一对应起来，再通过布局布线工具转换为电路布线结构
  • 系统验证

2. 什么是HDL

• 硬件描述语言HDL

  • HDL是在逻辑设计时用于描述数字电路结构和功能的语言
  • HDL可以在不同的层次对数字电路的结构、功能和行为进行描述
  • 可以向高级编程语言一样从抽象的高层次来描述；也可以从最底层对电路进行门级描述

• 常见的HDL

  • Verilog HDL：美国、中国用的多
  • VHDL：欧洲用的多

• Verilog和C的区别

  • Verilog是硬件描述语言，编译下载到FPGA后，会生成电路，所以是并行运行的

  • C是软件编程语言，编译下载到单片机后，是存储器中的一组指令，而单片机处理软件指令需要取指、译码、执行，这个过程是串行执行的

  • Verilog和C的区别，也是FPGA和单片机/CPU的区别，FPGA由于是全并行处理，速度非常快，这是FPGA最大的优势，这是单片机/CPU不能替代的