本文作者：西南交通大學研究生導師邸志雄博士。
工欲善其事，必先利其器，代碼可綜合設計能力、電路設計方法學、領域特定架構和算法理論，是提升和精進FPGA技能的必要基礎。不需要FPGA開發板實物，也能夠在家學習和夯實這些基礎知識（ps：注意，如果長期學習FPGA，有一塊FPGA開發板是非常必要的。本文章重點針對短期留守在家的同學。）。
0、FPGA入門基礎
具備基本數字邏輯基礎、基本VerilogHDL編寫能力。
此處推薦東南大學湯勇明老師編寫的《搭建你的數字積木——數字電路與邏輯設計》。這本書將Xilinx Vivado集成設計開發環境在第1章中就呈現給讀者，讓讀者從一開始就能利用該開發工具學習具體邏輯設計。這本書的優點是採用了電路設計加VerilogHDL編寫的方法，重點突出模塊化編程思想並詳細介紹了IP設計、封裝和調用方法，並在書中給出了VGA控制器、數字圖像處理設計等實際案例。
如果已經具備了“數字電路+FPGA”基礎，可從如下內容開始學習。
1、VerilogHDL和電路設計能力提升
經常碰到學生問類似“VerilogHDL不會編，如何提升編程能力”等等的問題，其實這個問題一開始就是錯誤的。VerilogHDL是硬件編程語言，與C語言等軟件編程語言有著非常大的差異，如果使用C語言的書寫思維去學習Verilog，那就完全錯了。Verilog HDL語言是對已知硬件電路的文本描述，因此必須理解其可綜合特性。
編寫Verilog HDL前：
- 應對所需實現的硬件電路“胸有成竹”；
- 牢記可綜合Verilog HDL與電路結構一一對應的關係；
- 確認電路指標是什麼：性能？面積？
- 硬件思維方式，代碼不再是一行行的代碼而是一塊一塊的硬件模塊；
真正理解以上幾點，才可以理解電路設計的思想，寫出行雲流水般的高質量代碼。關於如何實現高質量的VerilogHDL代碼書寫的內容、如何理解數字電路的設計思想，可以在家學習我在“中國大學MOOC”網站的慕課《芯動力——硬件加速設計方法》第二章和第三章。目前該課程在線學習人數已經超過1200人。第四章和第五章重點講數字芯片的邏輯綜合和靜態時序分析方法，但是與FPGA的綜合和時序約束很接近，也可以學習。
在“中國大學MOOC”搜索課程名稱即可參與，或者訪問鏈接
https://www.icourse163.org/course/SWJTU-1207492806?tid=1207824209
免費收看。
參考書推薦：
- 《輕鬆成為設計高手：Verilog HDL實用精解》。EDA先鋒工作室編寫，目前市面上的中文書籍裡，少有的幾本能夠從VerilogHDL硬件本質來闡述的書。（ps：該書的前一版書名為：設計與驗證。兩版內容基本上一樣，看哪個都可以）
- 《Altera FPGA/CPLD設計(高級篇)》。EDA先鋒工作室編寫，人民郵電出版社. （ps：一定要注意是“高級篇”。該系列還有一本“基礎篇”，不建議閱讀）
- 《SoC設計方法與實現(第3版)》，郭煒 等編寫. 電子工業出版社。
- 《FPGA深度解析》，樊繼明，陸錦宏 著. 北京航空航天大學出版社. 2015年。（ps：以上兩本對電路設計的相關知識點做了詳細闡釋）
2、選擇好的FPGA案例，提升設計能力
FPAG的優勢是硬件加速，其“能效比”遠高於傳統的CPU和GPU。因此，FPGA在對算力有極致需求的領域有著非常廣泛的應用，如人工智能、圖像視頻處理、密碼安全、數據中心、航天航空、高頻量化交易等。
那麼，什麼案例適用於FPGA教學？這是一個很有意思，也值得思考的問題。是流水燈？I2C串口傳輸？我認為不是，這些案例完全沒有體現出FPGA應用的特點，反而因為FPGA上手和調試較難的原因，勸退了一部分本來有興趣學習FPGA的學生。這些案例的特點是系統更關注“控制”而不是“計算”，且I/O、存儲數量要求非常小。一方面，無法體現FPGA帶來的硬件加速效果；另一方面，用單片機、MCU來實現流水燈、串口等系統，上手簡單，又快又好，為什麼要用FPGA來做這些？
個人認為最適合學習FPGA的案例有以下幾種：
- 處理器原型設計與實現。例如，在FPGA上完成一顆小型RISC CPU的設計，如果手上開發板，還可以進一步完成操作系統的移植和應用程序編寫。也可以在FPAG上完成AI處理器的設計，最終在開發板上實現諸如圖像檢測、人臉識別等系統功能。
- 高性能算法加速。例如，在FPAG上完成數字信號處理算法、圖像視頻處理算法等單片機無法實現的系統。
同學們可以充分利用參考書、公眾號、B站、github等各種網絡資源，從應用領域的架構、算法等基礎學起。如果沒有開發板，可以完成電路設計、代碼編寫、FPGA的驗證和實現流程。
參考書與案例推薦：
- 《搭建你的數字積木——數字電路與邏輯設計》。湯勇明等編著，清華大學出版社，2017年。（ps：書中最後幾章有很多FPGA案例）
- 《手把手教你設計CPU——RISC-V處理器篇 》。胡振波編著，人民郵電出版社，2018年。（ps：github上面有該CPU的源碼）
- pynq.io (http://www.pynq.io/)，這是一個網站。Xilinx PYNQ開發板的開源的開發者社區，有很多使用PYNQ的開發案例，如AI處理器、視頻圖像處理等等。
- Parallel Programming for FPGAs。本書有中文版和英文版，書和案例都可以在github下載。網址為https://xupsh.github.io/pp4fpgas-cn/。（ps：本書中所有案例都採用HLS C編寫完成，如果對使用C++/C語言開發FPGA感興趣，可以學習這本書）
- 《VLSI數字信號處理系統設計與實現》（作者：Keshab K.Parhi）與《數字信號處理的FPGA實現》（作者：Uwe Meyer-Baese）。（ps：這兩本僅限有數字信號處理基礎的同學學習。不建議初學者學習）
- 斯坦福開設的一門機器學習硬件加速器的課程，“Hardware Accelerators for Machine Learning (CS 217)”（ps：僅限有機器學習和FPGA開發能力的同學學習。不建議初學者學習）
另外，如果有同學對FPGA芯片本身感興趣，可以閱讀這本書：《FPGA原理和結構》，[日] 天野英晴 著，趙謙 譯，人民郵電出版社。儘管已經有很多書籍和課程來講授如何應用FPGA來搭建電子系統、實現硬件加速，但是幾乎沒有一本中文入門教材來講授FPGA內部的設計原理和結構。《FPGA原理和結構》一書集結了日本FPGA和可重構計算領域的多位權威和專家，譯者老師也長期從事FPGA和可重構計算研究，在FPL等FPGA頂級學術會議發表多篇論文。本書不僅對FPGA內部結構做了引人入勝的分析和講解，而且對FPGA CAD工具和算法也進行了詳細深入的闡述。更驚喜的是，本書還介紹了FPGA在超算、基因科學、金融、人工智能、高頻交易等方面的應用，可以讓讀者看到一個當下和未來更大的FPGA世界。本書寫作風格淺顯易懂，嚴謹求實，非常適合本科生和研究生作為FPGA結構與原理的入門教材，本書日文原作在日本可重構領域幾乎人手一本。
如果有同學在閱讀《FPGA原理和結構》一書後對FPGA開發工具的設計原理感興趣，可以研究下學術界經常用的FPGA開源工具VTR：
https://vtr.readthedocs.io/en/latest/。
3、開發工具推薦
Xilinx vivado 2018.3。注意版本號2018.3，版本號要正確，不建議下載比2018.3更早的版本。官網就可以完成下載，由於該工具體積很大（約18G），所以要耐心等待。
使用Xilinx vivado 或者Intel Qurtus Ⅱ都可以完成FPGA開發全流程。如果覺得其中內嵌的工具不好用，還可以使用如下工具代替：
- VS code編輯器（要安裝Verilog插件），完成代碼編輯；編輯器還有notepad++、Ultraedit、Vim等，看個人編程習慣。Vim學習曲線比較陡峭，熟練之後效率非常高。
- Modelsim，完成代碼仿真。
4、開發板推薦
目前情況看，網購基本上還不影響。如果有同學確實覺得需要一個實體開發板來落實系統設計，推薦以下幾款，都可以在淘寶購入：
- Spartan Edge Accelerator（SEA）。Seeed出品，採用了Xilinx Spartan7器件，價格<300元，適合入門的初學者完成一些輕量級的系統加速。SEA可以支持外插arduino作為其擴展板，如果熟悉arduino，可以採用這款開發板入門。
- Arty A7（Artix-7）。Digilent出品，硬件邏輯資源和接口相對豐富，開源的案例比較多，有利於入門的時候做一些較為複雜的案例。
- Xilinx PYNQ Z2。依元素出品，該系列FPGA中嵌入了一顆雙核ARM，既能發揮FPGA的定製特性，也能發揮處理器的通用特性，而且兩個部分之間接口豐富、官方文檔齊全，可玩性極高。用戶可以使用Python語言編程開發ARM端，並且代碼可直接在PYNQ-Z2上進行開發和測試。當引入Python後，就可以使用一些Python中強大的第三方庫，例如Numpy、Matplotlib等。注意：PYNQ的FPGA端仍需使用VerilogHDL或者HLS進行編程實現。
5、擴展知識
以上是FPAG的必備知識。但是，隨著FPAG技術的快速發展，當下的FPGA已經與傳統的FPGA硬件開發有了天壤之別。尤其是集成SoC的FPGA推出之後，更加註重軟、硬結合的複合能力。從兩大廠商FPGA推陳出新的技術來看，軟件開發能力已經被提到前所未有的高度。如果同學們學有餘力，可以學習如下擴展知識和技能：
- Python。PYNQ就是一個非常好的例子。從最近三年“全國大學生FPGA創新競賽”的獲獎作品可以看出，使用Python可以快速完成一個複雜FPGA系統的搭建。但是，請務必分清楚PL和PS。
- HLS C。C++/C非常適用於將複雜算法放到FPGA上，開發效率遠勝VerilogHDL好幾倍，如果同學們感興趣的話，可以參考上述第2部分推薦的參考書《Parallel Programming for FPGAs》。
全文完。
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