可编程器件应用FPGA——学习笔记(一)

说在前面

• 此笔记仅供学习使用，主要是记录一些知识点，方便查看，内容包括Verilog+FPGA开发，由于作者水平有限，笔记中不妥之处在所难免，请查看笔记的读者评论指正，我将进一步完善。

1.认识FPGA

• FPGA 是 Field Programmable Gate Array 的缩写，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。
• FPGA是一种可以编程的数字集成电路IC，它包含可配置的逻辑块以及逻辑块之间的互连线。设计人员可以通过在现场完成对这些逻辑块和互连线的配置，以实现或改变复杂的电子系统的功能。
• FPGA在结构、速度、工艺、集成度和性能等方面都有极大的提高，与之相对应的设计方法和自动化设计工具也得到迅速的发展。
• FPGA的组成：
  • 可编程输入/输出单元（I/O单元）、
  • 基本可编程逻辑单元、
  • 嵌入式块RAM、
  • 丰富的布线资源、
  • 底层嵌入功能单元、
  • 内嵌专用硬核。

2.学习FPGA的意义

• 突破原有的CPU架构体系处理信息的单一模式，使原来的硬件架构可以像软件一样进行开发，使原有的通过软件指令实现的功能可以在FPGA中，通过逻辑电路来实现，极大提高处理的效率。
• 选择FPGA的另一个直接的原因是它的并行和灵活，尤其是它的可重构性。对于局部单元可重构的FPGA，更能够像人类大脑中的信息处理机制一样。即在信息处理过程中可以根据需要能够改变物理联系通道，这将带来体系结构和实现算法上的创新。现在，FPGA正好进入人工智能、深度学习的黄金时代。

3.FPGA的应用

• FPGA目前虽然还受制于较高的开发门槛以及器件本身昂贵的价格，应用的普及率上不如ARM和DSP，但是在很多的应用场合，还是必须要使用它。FPGA所固有的灵活性和并行性是其他芯片所不具备的，所以它的应用领域涵盖得很广。从技术角度来看，主要是有以下需求的应用场合：
• 逻辑粘合：使用74等基本门电路进行数字系统搭建时，会使一些简单的数字系统显得十分庞大。可编程器件的出现革命性的变革。
• 实时控制，有一些任务必须在规定的时间内完成，而通用微处理器由于其运行速度的限制而力不从心。比如高速电机和图像采集等。
• 通信领域这个FPGA应用的传统领域，发展至今依然是FPGA应用的热点和研究的热点。各种通信协议实现，如更新较快的各种有线和无线通信标准、广播视频及其编解码算法、各种加密算法等，使用FPGA比ASIC更有竞争力。
• 高速信号采集和处理，如高速AD前端或图像前端的采集和预处理，近年来持续升温的机器视觉应用也几乎是无一例外的都使用了FPGA器件。

4.FPGA的开发方法和工具

• 硬件描述语言（HDL）Hardware Description Language

• 是一种利用文字描述数字电路系统的方法，可以起到和传统的电路原理图描述相同的效果。

  突破传统的“搭建”复杂电路设计的鸿沟。如同使用高级语言设计软件设计程序。

  硬件描述语言和数字电路系统相互促进，共同发展。

  目前，广泛使用的硬件描述语言有两种： VHDL 和 Verilog HDL。

它具有以下特点：

1） 功能强大， 灵活性强：具有功能强大的语言结构, 可用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计。

2） 不依赖于器件设计：同一个设计描述， 可以采用多种不同的器件结构来实现其功能。 若需对设计进行资源利用和性能方面的优化， 也并不是要求设计者非常熟悉器件的结构才行。 相反， 你可以集中精力从事你的设计构思， 当然， 这并不是说设计者可以忽略电路结构， 诸如数据通路优化技术方面的需要。

3） 可移植性：VHDL的设计描述可以被不同的工具所支持， 可以在不同模拟工具、综合工具、工作平台中执行。

4） 性能评估能力：允许设计者采用不同的器件结构和不同的综合工具来评估设计。选用最适合你设计需求的器件。 为了衡量综合的质量， 同样可用不同的综合工具所得到的综合结果来进行分析、 评估。

5）上市时间快， 成本低。

5.Quartus 2 和 Modelsim工具的安装下载

• Quartus 2 主要可以将写好的代码编写成配置文件，从而可以直接下载到芯片中，但是它的仿真功能不是太好，故推荐使用Modelsim工具进行编写和仿真，具体的下载和破解方法见下面的链接（参考别人的博客）

  https://blog.csdn.net/he__yuan/article/details/80560064

  里面有百度云和破解的办法（特别提醒：安装文件路径不能有中文！！！）

6.结尾

• 本片笔记主要介绍了FPGA的一些基本常识，后面将记录Verilog的语法学习。