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本文是即將出版的大二“《電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）》同步學(xué)習(xí)”配套教材——《HDL與可編程邏輯器件》的序言。 本書從初學(xué)者的立場出發(fā)，為廣大初學(xué)者提供了一個FPGS入門學(xué)習(xí)平臺，以深入淺出的方式介紹FPGA的基本原理、Verilog語言和應(yīng)用設(shè)計。但作為一個FPGA的初學(xué)者必須先了解以下幾個問題：何為FPGA？為什么要學(xué)習(xí)FPGA？如何學(xué)習(xí)FPGA？ 1.何為FPGA？ FPGA是Ross Freema于1985年發(fā)明的，當(dāng)時第一個FPGA采用2μm工藝，包含64個邏輯模塊和85000個晶體管，門數(shù)量不超過1000個，當(dāng)時他所創(chuàng)造的 FPGA被認(rèn)為是一項不切實際的技術(shù)，他的同事Bill Carter曾說：“這種理念需要很多晶體管，但那時晶體管是非常珍貴的東西。”所以人們認(rèn)為Ross的想法過于脫離現(xiàn)實。但是Ross預(yù)計：根據(jù)摩爾定 律（每18個月晶體管密度翻一翻），晶體管肯定會越來越便宜，因此它必將成為未來不可或缺的技術(shù)。在短短的幾年時間內(nèi)，正如Ross所預(yù)言的，出現(xiàn)了數(shù)十 億美元的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）市場。但可惜的是，他已經(jīng)無法享受這一派欣欣向榮的景象，Ross Freeman在1989年已經(jīng)與世長辭了，但是它的發(fā)明卻持續(xù)不斷地促進(jìn)電子行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。 我們知道構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)最基本的單元是與門、或門、非門等，而門電路是由用二極管、三極管和電阻等元件構(gòu)成的，然后與門、或門、非門又構(gòu)成了各種 觸發(fā)器實現(xiàn)狀態(tài)記憶。FPGA同樣也屬于數(shù)字邏輯電路的一種，也是由最基本的元件構(gòu)成的。一片F(xiàn)PGA可以在內(nèi)部集成上億個門電路，打破了以往使用數(shù)量繁 多分立器件實現(xiàn)電子裝置的歷史，不僅電路面積、成本大大減小，而且可靠性得到了大幅度的提升。 一般來說，F(xiàn)PGA內(nèi)部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出模塊與片內(nèi)外設(shè)組成的，而最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小 單元，設(shè)計者只能將這些單元通過互聯(lián)線將其連接起來，然后實現(xiàn)特定的功能。一個LE是由觸發(fā)器、LUT與控制邏輯組成的，從而同樣可以實現(xiàn)組合邏輯和時序 邏輯。 隨著FPGA集成度的不斷增加，其內(nèi)部的片內(nèi)外設(shè)也越來越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外設(shè)，真正用單芯片方案完成系統(tǒng)設(shè)計，所 以我們所理解的FPGA最底層是一些實實在在的門電路構(gòu)成的，然后由門電路構(gòu)成最小的物理邏輯單元，然后再通過布線層將這些最小物理邏輯單元連接成用戶需 要的特定功能，我們所需要控制的僅僅是布線層之間的互連開關(guān)，這也是我們編程的對象，通過這些開關(guān)來改變功能。 FGPA按工藝分主要有SRAM工藝和Flash工藝（工藝是針對它們的編程開關(guān)來說的）兩類，基于SRAM工藝的FPGA最大的缺點是掉電數(shù)據(jù)會 丟失無法保存，所以由FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)，外部還需要增加一個配置芯片用于保存編程數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)每次上電時都需要從配置芯片中將配置數(shù)據(jù)流加載到FPGA 中，然后才能正常地運行，其優(yōu)點是靈活性很強。而基于Flash架構(gòu)的FPGA在掉電后不會丟失數(shù)據(jù)，無需配置芯片，上電即可運行，其特點非常類似 ASIC，但卻比ASIC更加靈活可以重復(fù)編程。由此可見如果用基于Flash架構(gòu)的FPGA來取代ASIC的話，不僅風(fēng)險大大降低，而且成本也會大幅度 地下降。 2. 為什么要學(xué)習(xí)FPGA？ FPGA從誕生以來經(jīng)歷了從配角到主角的轉(zhuǎn)變，F(xiàn)PGA主要用于取代復(fù)雜的邏輯電路，現(xiàn)在重點強調(diào)平臺概念，當(dāng)集成數(shù)字信號處理器、嵌入式處理器、 高速串行和其它高端技術(shù)后，從而被應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，正因為其飛速的發(fā)展，讓更多學(xué)FPGA的人看到了希望，其廣闊的前景正是我們選擇的原因之一。 （1）廣闊的發(fā)展前景 據(jù)市場調(diào)研公司Gartner Dataquest預(yù)測，2010年FPGA和其它可編程邏輯器件(PLD)市將從2005年的32億美元增長到67億美元，未來還將有不斷增長的趨勢。 FPGA及PLD產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最大機遇是替代ASIC和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)，由ASIC和ASSP構(gòu)成的數(shù)字邏輯市場規(guī)模大約為350億美元。由于用 戶可以迅速地對PLD進(jìn)行編程，按照需求實現(xiàn)特殊功能，與ASIC和ASSP相比，PLD在靈活性、開發(fā)成本、產(chǎn)品快速上市方面更具優(yōu)勢，所以未來 FPGA將會是一個非常有前景的行業(yè)。 由于FPGA結(jié)構(gòu)的特殊性，可以重復(fù)編程，開發(fā)周期較短，越來越受到人們的青睞，它的特點也更接近ASIC，ASIC比FPGA最大的優(yōu)勢是低成 本，但是FPGA的價格現(xiàn)在也越來越低，例如，Actel的Nano系列更是打破了FPGA的價格屏障，提供超過50種低于1美金的FPGA，在一定程度 上已經(jīng)可以與ASIC相抗衡。 根據(jù)當(dāng)前發(fā)展的趨勢，未來的FPGA勢必將會取代大部分ASIC的市場，雖然根據(jù)摩爾定律(Moore’s Law)：每18至24個月能在相同的單位面積內(nèi)多集成一倍的晶體管數(shù)目，也就意味著每18至24個月后芯片成本將減半，但這只是指裸晶(Die)的成 本，并不表示整個芯片的成本減半，這是由于晶圓制造前端的掩膜(Mask)成本、晶圓制造后端的封裝(也稱為：構(gòu)裝、包裝)成本、人力成本等都不會隨摩爾 定律而變化，反而芯片的成本有上升的趨勢，所以過去許多中、小用量的芯片無法用先進(jìn)的工藝來生產(chǎn)，對此不是持續(xù)使用舊工藝來制造，或是必須改用FPGA芯 片來生產(chǎn)…… 未來的趨勢告訴我們，F(xiàn)PGA將成為21世紀(jì)最重要的高科技產(chǎn)業(yè)之一，特別是國內(nèi)的FPGA市場，更是一個“未完全開墾的處女地”，抓住現(xiàn)在的機遇也就意味著為我們的將來提供更強大的競爭力。 （2）更多的就業(yè)機會 由此可見在應(yīng)屆畢業(yè)生中熟練掌握FPGA的學(xué)生已經(jīng)屬于稀缺資源了，然而企業(yè)為培養(yǎng)FPGA開發(fā)工程師無不付出沉重的代價，所以對于在校電類專業(yè)的 學(xué)生來說，這是打造個人差異化競爭力的大好機會，事實上只要掌握FPGA就能夠找到一份薪水更好的工作。我們公司每次在考核員工時，往往都會特別關(guān)注這些 “特殊員工”，一般來說這些員工的薪水都會比其它崗位高500元，這就是學(xué)習(xí)FPGA的就業(yè)優(yōu)勢，但是很多人不曾完全意識到掌握FPGA技術(shù)的重要性。 當(dāng)前受金融危機的影響，對學(xué)生的就業(yè)更是巨大的考驗，據(jù)教育部的統(tǒng)計，2008年全國普通高校畢業(yè)生達(dá)559萬人，比2007年增加64萬 人，2009年高校畢業(yè)生規(guī)模達(dá)到611萬人，比2008年增加52萬人，如此多的大學(xué)生面臨著就業(yè)的問題，如果個人不具備一定的優(yōu)勢，必將淹沒在人海茫 茫的潮流中而找不到理想的工作，而學(xué)習(xí)FPGA則可以幫助學(xué)生多一技之長，大大提高就業(yè)的機會。 （3）更大的技術(shù)發(fā)展空間 由此可見IC設(shè)計也是未來發(fā)展的一個重點方向，將會是國家大力扶持的產(chǎn)業(yè)之一，而IC的設(shè)計人員必須掌握FPGA的技術(shù)，在芯片流片之前都是通過 FPGA來進(jìn)行前期設(shè)計驗證的，與FPGA使用同樣的設(shè)計語言，只是在后端的設(shè)計中才用到IC設(shè)計方面的特定技術(shù)，而IC設(shè)計人員必定是懂得FPGA設(shè)計 的人，因此掌握FPGA技術(shù)是通往IC設(shè)計殿堂的必經(jīng)之路，學(xué)習(xí)FPGA有助于我們擴大的技術(shù)發(fā)展空間。 3.如何學(xué)習(xí)FPGA？ （1）掌握FPGA的編程語言 作為在校大學(xué)生，學(xué)習(xí)Verilog的最好時期是在大學(xué)二年級開設(shè)《電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）》時同步學(xué)習(xí)，不僅能夠理解數(shù)字電路實現(xiàn)的方式，更能 通過FPGA將數(shù)字電路得以實現(xiàn)。作者發(fā)現(xiàn)華中科技大學(xué)康華光教授主編的《電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）》非常好，可以說是一本與時俱進(jìn)的教材，在本書的第二 章最后一節(jié)專門介紹了Verilog語言與FPGA，并且在每一章的最后一節(jié)都介紹了如何使用Verilog建模實現(xiàn)相關(guān)數(shù)字電路的內(nèi)容，因此本書非常適 合大二學(xué)習(xí)FPGA的學(xué)生參考。本書是以《電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）》為背景，并與該書同步配套學(xué)習(xí)FPGA，并在它的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，源于它而又高于 它。 大三、大四的學(xué)生還可以進(jìn)一步強化學(xué)習(xí)Verilog，建議以北京航天航空大學(xué)出版社出版的由夏宇聞教授編寫的《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程 （第二版）》作為藍(lán)本，本書比較全面地、詳細(xì)地介紹了Verilog的基本語法。如果是其他初學(xué)者，可以直接借助《Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計教程（第二 版）》和本書即能全面掌握Verilog的語法，這是學(xué)習(xí)FPGA的第一步，也是必不可少的一步。 （2）一個易學(xué)易用的硬件平臺是成功的一半 在過去的一年里，我們一共投入了4位開發(fā)工程師圍繞EasyFPGA030開展工作，翻譯了全部開發(fā)工具軟件使用指南和相關(guān)技術(shù)資料，先自己吃透然 后再根據(jù)自己的理解、實踐和多次討論，將技術(shù)資料通俗化，并且錄制了第一個“Actel FPGA快速入門視頻教程”供初學(xué)者免費下載。為了便于初學(xué)者快速入門，當(dāng)?shù)谝话孀龀鰜礓N售1000套之后，才發(fā)現(xiàn)初學(xué)者的焊接經(jīng)驗不足，于是又開始設(shè)計 第二版硬件電路，這就是目前大家在網(wǎng)站上見到的一體化EasyFPGA030開發(fā)學(xué)習(xí)板。 為了能夠帶給大家最充分、最權(quán)威的知識，我們還邀請了國內(nèi)第一家大學(xué)EDA實驗室創(chuàng)始人之一的夏宇聞教授給我們進(jìn)行Veirlog的培訓(xùn)，之后我們 制作了一系列Veirlog視頻教程和PPT供初學(xué)者學(xué)習(xí)，同樣免費提供給大家。同時，我們和夏老師一起共同合作編寫了本書，目的是希望能夠以最快的速度 幫助初學(xué)者入門，另外我們還有一個30多人的團隊為用戶提供全面的FPGA技術(shù)支持和售后服務(wù)，解決用戶的后顧之憂。 由此可見通過EasyFPGA030的平臺學(xué)習(xí)，不僅可以幫助用戶節(jié)約前期的學(xué)習(xí)成本，而且該套件詳細(xì)的資料使得初學(xué)者少走很多彎路，對于初學(xué)者來說，EasyFPGA030是一個不可多得的FPGA開發(fā)學(xué)習(xí)平臺。 （3）技術(shù)的鞏固和升華 廣州周立功單片機發(fā)展有限公司已經(jīng)成功地舉辦了兩屆“Actel杯中國大學(xué)生FPGA電子設(shè)計競賽”，參加的隊伍分別是100隊和300隊，每支隊 伍都將免費獲得一套價值1480元的FPGA開發(fā)套件作為競賽的平臺，競賽完后該套件無需退回，而且設(shè)置了最高5000元的獎金，這樣的舉措對公司來說投 入非常巨大，也很難立即看到產(chǎn)出，但是我們還堅持去做了，主要是想給學(xué)生提供施展才華的舞臺，讓更多的人了解FPGA，對FPGA產(chǎn)生興趣。2009年我 們將繼續(xù)啟動第三屆競賽，計劃將隊伍擴大到1000支，我們的目標(biāo)就是要將創(chuàng)新教育實踐活動進(jìn)行到底，培養(yǎng)出一批又一批適合企業(yè)發(fā)展需要的人才。 4. 結(jié)語 |
