今天在群里有工程師問(wèn)我，怎么才叫學(xué)會(huì)了FPGA，怎么才叫學(xué)好了FPGA？我相信有很多朋友有類似的問(wèn)題，因?yàn)樵诙鄶?shù)人的潛意識(shí)里，F(xiàn)PGA是非常高深莫測(cè)的技術(shù)，能夠玩轉(zhuǎn)FPGA的都是大神級(jí)的人物。

其實(shí)呢，這是一種誤解，你可以把FPGA當(dāng)做是數(shù)字世界的樂(lè)高（Lego），它由幾種最基本的單元（每種單元數(shù)量有很多很多）讓你組成自己想實(shí)現(xiàn)的功能。能玩好樂(lè)高就一定能玩好FPGA。樂(lè)高玩得好不好，取決于什么因素？

通過(guò)一些最基本的積木塊可以拼出任何復(fù)雜的物體

第一要素 - 先要了解供你玩的“樂(lè)高”套裝里都有哪些單元？每個(gè)單元都有哪些特性？不同單元之間是如何拼接的？沒(méi)有這些全局的信息和知識(shí)在你的腦子里，你要從幾千個(gè)piece里面去組裝一輛車、構(gòu)建一個(gè)城堡，將是非常困難甚至不可能的。

第二要素 - 要有正確的思維方式。你至少要知道搭建一輛車需要四個(gè)輪子、一個(gè)方向盤、一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，這些部件之間如何通過(guò)其它的單元有機(jī)組合在一起，彼此之間如何搭配。不知道車子需要輪子，不知道輪子要裝在底盤上是無(wú)法組裝出一輛車來(lái)的，即便有再多的單元也沒(méi)有用。

學(xué)習(xí)使用FPGA的道理跟玩樂(lè)高沒(méi)啥區(qū)別，同樣是：

了解FPGA是什么？玩樂(lè)高的人不用操心什么是樂(lè)高，這個(gè)知識(shí)是由玩樂(lè)高的人的父母掌握了，并幫他選好型了；

要充分了解FPGA內(nèi)部都有什么功能單元（邏輯單元、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘產(chǎn)生、可編程IO等） ，這些單元都有什么用？用起來(lái)都有哪些要注意的地方，各個(gè)單元之間如何配合？尤其是針對(duì)你要用的具體型號(hào)，你要知道你用的這個(gè)型號(hào)的器件內(nèi)部的各種功能單元具體有多少數(shù)量，夠不夠你項(xiàng)目使用的；

數(shù)字邏輯的設(shè)計(jì)思想 - 針對(duì)任意一項(xiàng)具體的功能，如何組合你器件內(nèi)的單元來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要哪些單元？如何連接這些單元？各個(gè)單元之間連接的先后順序如何？這就需要比較扎實(shí)的數(shù)字電路/數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)以及邏輯思維能力。

當(dāng)然你也需要一些工具來(lái)幫助你實(shí)現(xiàn)，比如一套從頭到尾執(zhí)行的設(shè)計(jì)環(huán)境（FPGA廠商提供的編譯工具 - Lattice的Diamond、Intel的Quartus、Xilinx的Vivado），一種連接你的邏輯思維和機(jī)器操作之間的溝通工具 - 設(shè)計(jì)語(yǔ)言（原理圖、Verilog、VHDL等等）。

下面我們以小腳丫FPGA為例，看看我們要學(xué)好FPGA必須掌握哪些知識(shí)。

首先FPGA是什么？

四個(gè)字母Field（現(xiàn)場(chǎng)） Programmable（可編程） Gate（邏輯門） Array（陣列）凸顯了大量的邏輯門單元，這些邏輯單元是可以在任何地方隨時(shí)進(jìn)行組裝的，這是不是跟樂(lè)高玩具一樣？邏輯門單元是構(gòu)成一切數(shù)字邏輯器件的基本單元，在數(shù)字世界里你想做任何事情、實(shí)現(xiàn)任何功能，都可以通過(guò)邏輯門的堆砌來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)FPGA在數(shù)字領(lǐng)域里幾乎無(wú)所不能，因此n年前我國(guó)的某一個(gè)FPGA公司在向國(guó)務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)描述其產(chǎn)品的時(shí)候稱他們做的是“萬(wàn)能芯片”（用這種通俗易懂的說(shuō)法忽悠國(guó)家的經(jīng)費(fèi)）。萬(wàn)能有些夸張，但FPGA高度靈活，理論上來(lái)講，只要有足夠的資源（積木數(shù)量足夠多）幾乎可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字域的任何功能，受限的是速度、功耗以及系統(tǒng)的成本。

FPGA里面有什么？

我們以基于Lattice的FPGA的小腳丫看一下該FPGA內(nèi)部都有哪些資源以及相應(yīng)資源的數(shù)量，如下是該器件LCMXO2-4000HC-4MG132C內(nèi)部的功能框圖：

該器件的具體資源參數(shù)如下：

4320個(gè)LUT資源 - 每個(gè)LUT（查找表）有4個(gè)輸入，16種狀態(tài)，并一個(gè)寄存器，這就像樂(lè)高里的積木塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能，至于4320是多還是少？這個(gè)要看你做的項(xiàng)目需要的邏輯資源，對(duì)于FPGA的初學(xué)者來(lái)講4000多個(gè)LUT已經(jīng)足夠多，實(shí)現(xiàn)很多沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)的功能都已經(jīng)綽綽有余了；

92Kbit RAM - 這是在邏輯之外的成塊狀的存儲(chǔ)器，可以靈活配置成各種位寬、各種讀寫模式的存儲(chǔ)功能，比如FIFO、雙口RAM等；

96Kbit用戶閃存 - 這是Lattice 的一個(gè)創(chuàng)新，后來(lái)Altera/Intel也學(xué)著做了MAX10，就是將配置FPGA的存儲(chǔ)器從外面的PROM變成了集成在FPGA內(nèi)部的Flash，可以反復(fù)編程，從此FPGA不再外掛一個(gè)累贅了，用起來(lái)就像PLD一樣方便；

嵌入式功能塊（硬核）：一路SPI、一路定時(shí)器、2路I2C，這可是MCU除了ALU、總線之外最基本的功能模塊，都硬化到該FPGA內(nèi)部了，也就意味著如果你想用這個(gè)FPGA做一個(gè)MCU玩玩，可以直接將這些已經(jīng)硬化的功能塊通過(guò)總線掛在處理器上，沒(méi)必要再寫這些功能，并且占用邏輯資源了；

2+2路PLL+DLL - 我們前面講過(guò)外部常用的時(shí)鐘產(chǎn)生器（比如晶振）產(chǎn)生的頻率不高，但FPGA內(nèi)部可以工作到很高的速度，因此現(xiàn)在幾乎所有FPGA器件都有內(nèi)置的PLL將外部的低頻率的時(shí)鐘整到很高頻率，比如小腳丫的外部時(shí)鐘為12MHz，內(nèi)部PLL可以將它倍頻到400MHz，非常快吧？

支持DDR/DDR2/LPDDR存儲(chǔ)器 - 這是說(shuō)該器件能夠直接掛這些存儲(chǔ)器，適配它們的電平和時(shí)序；

104個(gè)可熱插拔I/O - 每個(gè)I/O管腳可以單獨(dú)編程為輸入、輸出、上拉或下拉、并可以設(shè)置器輸出阻抗，以便支持不同的接口協(xié)議，就像城市連接外部的道路可進(jìn)可出、有的鋪瀝青、有的是土路；

內(nèi)核電壓2.5-3.3V，供電電壓的范圍比較寬；

132腳BGA封裝，引腳間距0.5mm，芯片尺寸8mm x 8mm；

看下面就是這個(gè)器件做成的板子的圖片，中間那個(gè)黑黑的就是FPGA芯片。

FPGA能做什么？

知道了FPGA內(nèi)部的資源，也就心里有數(shù)它能做什么了。就像一座城堡，內(nèi)部居民的生活豐富多彩，無(wú)論他們以何種形式進(jìn)行組合，他們所做的事情取決于這些居民以及他們擁有的資源，其生活模式被城堡的設(shè)計(jì)者所定義（城市管理、文化等等等）。

但從宏觀上來(lái)看這個(gè)城堡起到的功能很大程度上取決于這個(gè)城堡同外部世界的連接，沒(méi)有這些同系統(tǒng)的連接，城堡內(nèi)部的任何行為對(duì)于系統(tǒng)來(lái)講都沒(méi)有意義。FPGA可以是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，但它僅僅是一個(gè)部分而已，就像一個(gè)城堡一樣，它只有同外部進(jìn)行連接并執(zhí)行系統(tǒng)通過(guò)這些連接給其分配的功能才有意義。

因此FPGA通過(guò)其I/O管腳連接外面的世界，我們使用的小腳丫芯片有132個(gè)管腳，除去電源、地之外還有104個(gè)管腳可以用來(lái)同外界進(jìn)行聯(lián)系。

做為一款讓FPGA初學(xué)者學(xué)習(xí)的平臺(tái)，首先要滿足初學(xué)者基于掌握的數(shù)字電路知識(shí)進(jìn)行做項(xiàng)目的定位，先要體驗(yàn)組合邏輯、時(shí)序邏輯、狀態(tài)轉(zhuǎn)換等數(shù)字電路的基礎(chǔ)概念，而體驗(yàn)這些概念就需要一些必要的輸入（按鍵、開(kāi)關(guān)）和必要的輸出（通過(guò)單色LED燈、三色燈、數(shù)碼管進(jìn)行各種方式的顯示），綜合考慮板子的尺寸以及初學(xué)者隨時(shí)隨地能練習(xí)的要求，我們經(jīng)過(guò)取舍后選定了如下的板上功能及連接：

板載資源：

兩位7段數(shù)碼管 - 可以以狀態(tài)、數(shù)值的變化來(lái)顯示內(nèi)部邏輯運(yùn)行的信息；

兩個(gè)RGB三色LED - 可以以LED的亮度、顏色燈的變化顯示內(nèi)部邏輯運(yùn)行的信息；

8路用戶LED - 可以通過(guò)組合來(lái)形象地顯示內(nèi)部邏輯運(yùn)行的信息；

4路撥碼開(kāi)關(guān) - 做為狀態(tài)的輸入；

4路按鍵 - 做為外部條件變換的輸入；

當(dāng)然作為一個(gè)靈活的學(xué)習(xí)模塊，我們還要給用戶留下一定的靈活擴(kuò)展的空間，讓用戶以各種方式來(lái)連接其計(jì)劃連接的其它器件，在這個(gè)模塊的周邊我們留出了36個(gè)信號(hào)管腳（4個(gè)電源、地除外）給用戶，用戶可以靈活配置、應(yīng)用這些管腳，讓自己的系統(tǒng)充分利用這些管腳讓FPGA內(nèi)部的邏輯資源執(zhí)行分配的任務(wù)。

小腳丫FPGA模塊在兼顧初學(xué)者學(xué)習(xí)功能的前提下，同時(shí)留給工程師更多擴(kuò)展的靈活性，小腳丫團(tuán)隊(duì)也開(kāi)發(fā)了一些擴(kuò)展的模塊，并通過(guò)獨(dú)特的適配板連接世界上開(kāi)源硬件最強(qiáng)大的兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的擴(kuò)展卡 - Arduino、樹(shù)莓派，小腳丫FPGA的使用者可以充分利用這些生態(tài)系統(tǒng)里現(xiàn)有的擴(kuò)展模塊進(jìn)行FPGA邏輯設(shè)計(jì)就可以了。

兩款小腳丫FPGA選用的FPGA器件 - Lattice的LCMXO2-4000和Intel的MAX10M08內(nèi)部資源都足夠大，至少在你學(xué)好了FPGA編程之前，都能夠完美展現(xiàn)你的邏輯智慧。