FPGA工程师自述：实践中获得经验 多动手才是王道

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。而且FPGA开发工程师是一个相对高薪的工作，学习的人也不少。然而对于刚入门的初学者来说，总有一种无从下手的感觉。本文是来自一个资深FPGA工程师的自述，他从FPGA的的基础知识开始介绍，提出学习FGPA需要注重的要点，并用自己的亲身经历验证和告诫广大爱好者，经验都是从实践中获得，多动手才是王道。

深入了解FPGA厂商并掌握FPGA编程语言

谈FPGA之前，先说说生产厂商吧。全球知名的FPGA生产厂商有：
1．Altera，开发平台是Quartus II
2．Xilinx 开发平台是ISE
3．Actel ，开发平台是Libero
4．Lattice
5．Atmel

其中Altera作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家，是可编程逻辑器件的发明者，开发软件MAX+PLUSII和QuartusII。记得上学的时候用的用的就是altera的芯片，当时的工具也是MAX，现在感觉当时的软件很强大了，现在感觉比较弱智了，下载FPGA就是用串口，当时的时钟速率也就是25M左右，用的是试验箱，就是一个大箱子，里面有板子和说明，板子上还有8位数码管和跳线，当时感觉好神奇啊，现在感觉那是个垃圾、废物，忘记是那个厂家了。

Xilinx是FPGA的发明者，拥有世界一半以上的市场，提供90%的高端65nmFPGA产品，开发软件为ISE，其产品主要用于军用和宇航。毕业后就是xilinx的，altera的很少用，大家一定问为什么，我也毕业的时候也是这样问老大的，老大说altera的不好用，我也有点气不忿儿，现在看来确实是这样，总结几点：

1：xilinx的资源丰富，新手会说很杂不容易用，但是如果上手之后，里面的资源确实会为你处理带来方便，比如BUFG，IODELAY，ODDR，OBUFT等等这些小的资源，还有一些IPcore，altera的好像要少些。

2：xilinx逻辑量比较大，一些大容量的FPGA好像altera没有这么大的，比如V5，V6，V7，K7，这些altera是远远没有的。不过也带来了隐患，比如说散热。不过有一点xilinx好像没有altera的做的好，那就是高速查分线，xilinx叫GTP,GTX，GTH，现在好像也区别不大了。

Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。

讲到FPGA语言就不得不讲verilog 和VHDL，本人大学学的是VHDL，工作就一直在用VHDL。我觉得veilog更接近底层，关键是更接近C，所以被FPGA工程师所喜欢。HDL特别是Verilog HDL得到在第一线工作的设计工程师的特别青睐，不仅因为HDL与C语言很相似，学习和掌握它并不困难，更重要的是它在复杂的SOC的设计上所显示的非凡性能和可扩展能力。 在学习HDL语言时，笔者认为先学习VerilogHDL比较好：一是容易入门；二是接受Verilog HDL代码做后端芯片的集成电路厂家比较多，现成的硬核、固核和软核比较多。 

实现起来，veilog更容易实现。比如说要例化多个模块，我们就可以用for语句，并且这个是可综合的。我们在申明总线时，由于比较繁琐的语句的时候，稍不注意还会有书写错误。

我们都知道FPGA一般作为主控芯片，I2C也一般是做主设备。但是大家有没有遇到过做从设备的情况，从设备稳定吗？一般情况下，I2C做从设备是不好做的，特别是做大容量的从设备。I2C看起来简单，但是里面还有很多问题，如果我们只考虑简单的7为device address,8 bit register address，数据读写位也是简单的8bit的话，另外读写只是简单的I2C interface的话，还简单些。

如果要考虑大容量的，如16bit的设备地址，读的情形考虑到简单的接口外还要考虑有restart的情况，就不好做了，如果要考虑的再细一点，特别是做图像处理的话，读写EDID的时候有个搜索device设备的过程，这种情形恐怕做好的就不容易了。
     
如果你是大厂商，像一些AT的ROM，Flash等公司，做的也是巨烂，我们用他们的芯片，用ARM访问也是会有一些问题，就是他们考虑的不太周全。像一些图像驱动的厂商，做的I2C相对来说还好些；通信设备的I2C写的也是很差，控制起来比较麻烦，像一些光纤收发器的厂商，也就是光模块的厂商，有的时候你用ARM等标准设备访问的时候，也会有一些问题。所以你如果要做个I2C的从设备的话，要考虑的周全一些，这样我们的芯片健壮性就会比较高。

做FPGA代码，其中一个最重要的步骤，那就是仿真。仿真简单的说，就是验证代码是否正确。里面就包含了很多仿真的东西，测试平台的搭建，库的建立等等。最让我们忽略的恐怕就是线延时了。有的时候我们仿真正确，但是加载到FPGA里面就不正确了，这是为什么呢？你忽略了一个问题，那就是线延时。你的接口从FPGA到接口芯片肯定铺铜线过去了，中间这段走线是有延时。所以在我们仿真的时候，测试平台要在库和顶层之间加上一定的延时。这样来保证我们代码的正确。

精品来自于于千锤百炼  要不断的发现问题才能解决问题

如果我们用FPGA只是做个小程序实验实验我们的功能，应该说还是比较容易的；如果我们用FPGA作产品，那么你要考虑的要很多，有的时候你觉得你的代码很完美，实验也没啥问题，那么你有没有让你的程序跑一年甚至是更远时间，你有没有把你的程序放在各种环境下实验。如果说你认为这是芯片的问题和你的程序没有关系，这就大错特错了。这些最终考究的就是你的代码的健壮性，也就是说的精品来自于千锤百炼。

这里我们谈谈FPGA需要注意的两点：
1：调试各类驱动芯片；如果做通信的话，有各种通信芯片，主要包括PHY芯片，通信交换芯片，光纤驱动芯片等，各类芯片。另外还有各种通信接口。这些接口和芯片需要时间去调试和积累，这些不是在论坛上能完成的，这个过程是要在实验室来完成的。
2：定位FPGA的位置，FPGA要了解的大部分不是FPGA知识，而是硬件知识和软件知识，这是因为FPGA的位置是FPGA的硬件和软件的桥梁。 首先要了解硬件，大部分做FPGA不太关注硬件问题，都认为硬件不是FPGA的问题，这就大错特错了，硬件设计的好坏直接影响到FPGA工作的质量。

亲身经历验证对任何问题要有怀疑自我的精神

先描述下逻辑：FPGA实现一个逻辑，每按下一个按钮（逻辑做了消抖），出现10个200ns的脉冲，然后通过示波器抓输出波形，示波器出发条件，设置自动触发（上升沿）或者条件触发<1ms都试过。
   
问题出现：每次按下按钮，不是每次都能在示波器看到脉冲波形，大概按下10次会有1-2次示波器抓不到波形！首先我怀疑是我做的逻辑问题，这个楼主一贯的风格，先怀疑自己，验证自己没有问题了再怀疑相关，而不是想当然说自己这个没问题那个没问题，我觉得这点很重要，就是怀疑精神，我发现设计工程师都想把自己推的一干二净，说自己的没有问题，我觉得出现问题任何地方都是值得怀疑的，先去检查自己，不是说自己没问题就没有问题的，如果后来证明是自己的问题，这不相当于自己打自己的脸吗！总结一点：要有怀疑精神，所有相关的都是值得怀疑的。

回归正题，然后我用chipesope抓到是输出逻辑有波形，但是示波器上看不到，出现这种情况大家会怎么做？我输出逻辑没有问题后，我就想是不是IO的驱动能力，因为我外面直接用示波器测量的，是不是没有负载，所有输出不正常，基于这点，然后我把输出的逻辑再接入到FPGA某一输入管脚，然后又写着一段程序，检测输入是不是有信号过来，然后做了计数之类，结果发现，当示波器没有波形的时候，输入的信号也有，计数也正常。出现这种情况大家会怎么做？

是不是同一芯片的问题，然后我把这个输出的管脚飞线到另外一个芯片，当示波器没有波形的时候，另外一个芯片输入的信号也有！
   
基于以上测试，我大胆预测是示波器的问题，也不能说是示波器的问题吧，估计是没有这种的应用场景。然后我有试了另外一家的芯片，写上同样的逻辑，测试结果一样。做了这么多试验，也证明了，就是示波器没有这样的场景。用的示波器是泰克的2032等，试了他的两款表，都是如此，不是黑他的表，我估计所有的表也都是如此。

经验是从实践中获得  多动手才是王道

FPGA新手总是觉得FPGA无从下手，也不知道该如何下手。包括刚开始做FPGA开发时候的我，也是如此。针对这种情况，我还是劝新手们，多做点试验，多有点想法，然后试着写些小的程序，然后再FPGA上验证功能，如果不是你想要的，那就再调试，慢慢的你就学习到一些实践的东西。因为最终FPGA不是理论，他要靠实践来完成，你才知道哪些是对的哪些是错的。光靠书本不去试验肯定是不行的，所以劝大家多动动手。

目前觉得fpga的发展方向：1：接口统一化，类似于AXI系接口；2：硬件语言软件化；3：系统化。以后fpga开发难度会越来越下降，也是技术开发的方向。搁在几年前，硬件很吃香，现在几乎不需要硬件工程师。其实也不是不需要，而是硬件越来越标准化，一个行业越来越标准，说明开发的难度也随之降低。

做开发，心态问题很重要，什么人适合做研发，什么人适合做销售。我觉得这个是勉强不来的。有的人做销售，不需要什么技术和技巧，因为他从小就能说会道，周边的人都比较喜欢，和别人沟通，交际这方面比较擅长。如果是这样的人，就适合做销售和行政之类，和别人打交道的工作。如果你让这些人做技术，他坐不住，处处感觉别扭。有的人做研究，我觉得同样也不需要太多的技术，因为他从小就沉默寡言，喜欢发呆思考问题，数理化总能不怎么学都能考试高分，但是如果家里来了亲戚，确害羞的不爱说话，也就是人们常说的木讷，这些人适合做技术。如果你让这些人做销售，单子估计一个也接不到。所以我觉得不管做什么，根绝自己的性格找到合适的工作，这样身心愉悦！