FPGA 学习需要哪些东西？

学习 FPGA，就像是要深入了解一座复杂而迷人的数字世界的建造术。这可不是一朝一夕就能精通的，你需要准备好一系列的“工具”和“教材”，并且在脑子里种下一颗愿意钻研、不怕困难的种子。

首先，硬核的“工具箱”是必不可少的。

1. 一台靠谱的电脑：这是你的“工作台”。FPGA 开发软件通常对电脑的配置有一定要求，毕竟要编译代码、仿真、下载，这些过程都很吃资源。
操作系统： Linux（Ubuntu 是很多 FPGA 工程师的首选，原因你懂的）、Windows 都可以，看你个人习惯和软件支持。
处理器：越强越好，多核心能让你在编译时节省不少时间。
内存（RAM）：至少 8GB，16GB 甚至 32GB 会让你体验到丝滑般的顺畅。编译大型工程时，内存不足会让你怀疑人生。
硬盘： SSD 固态硬盘是必须的，安装软件、加载工程、编译速度都能甩机械硬盘几条街。容量也别太小，开发工具和项目文件都挺占地方的。
显卡：多数情况下不需要顶级显卡，但一个性能不错的显卡能让你在某些可视化工具（比如时序分析）中操作更流畅。

2. FPGA 开发板：这就像是你的“实操车间”。光看图纸、看代码是没有用的，你需要一个载体把你的设计“跑起来”。
入门级开发板：刚开始学习，不建议上来就买最贵的。像 Xilinx 的 Basys 系列、Artix7 系列的开发板，或者 Intel (Altera) 的 DE0CV、DE10Lite 这样的板子，性价比高，资源够用，社区支持也比较好。这些板子通常已经集成了 FPGA 芯片、时钟、供电、USB 接口（用于下载和调试）以及一些常用的外设，比如 LED、按键、数码管、VGA 接口、ADC/DAC 等。
进阶级开发板：当你对 FPGA 有一定了解后，可以考虑 Kintex、Virtex 系列，或者 Stratix、Agilex 系列的开发板。这些板子性能更强，资源更多，接口也更丰富，适合做更复杂的设计。
选择依据：
FPGA 厂商： Xilinx (已被 AMD 收购) 和 Intel (原 Altera) 是两大主流。它们的开发工具和生态系统略有不同。初学者可以选择其中一个，深入了解即可。Xilinx 的 Vivado 和 Intel 的 Quartus Prime 是它们各自的主力开发软件。
目标：你想学什么？是数字逻辑基础，还是图像处理、嵌入式系统？不同的目标可能需要不同配置和外设的开发板。
预算：根据自己的经济实力来选择。

3. FPGA 开发软件（EDA 工具）：这是你的“设计图纸”和“加工车间”。没有它，你无法将你的设计转化为 FPGA 能够理解的指令。
Xilinx Vivado：这是 Xilinx 平台的官方开发套件，功能非常强大，包含了代码编写、综合、布局布线、仿真、时序分析、比特流生成等所有环节。对于初学者来说，它可能看起来有点复杂，但一旦上手，就会发现其强大之处。
Intel Quartus Prime：这是 Intel (Altera) 平台的官方开发套件，同样集成了完整的开发流程。
免费版本：大部分 FPGA 厂商都提供免费的“精简版”或“网页版”的开发工具，这些版本通常支持一定规模的 FPGA 器件，对于学习和小型项目来说是足够的。在购买开发板之前，最好先去官网上确认一下你的开发板支持哪个版本的软件，以及软件的下载方式。

4. 下载线/JTAG 编程器：这是连接你的电脑和 FPGA 开发板的“桥梁”。通过它，你可以将设计好的比特流文件下载到 FPGA 芯片中，让它按照你的意愿工作。
很多入门级开发板都集成了 USBJTAG 接口，可以直接通过 USB 线连接电脑进行下载。
有些更专业的开发板可能需要单独的编程器，比如 Xilinx Platform Cable USB II。

其次，精神上的“装备”同样重要。

1. 扎实的数字逻辑基础：这是你构建一切的“地基”。
数字电路原理：了解组合逻辑（与门、或门、非门、异或门等）和时序逻辑（触发器、寄存器、计数器、状态机等）的工作原理。
布尔代数：能够熟练运用布尔代数化简逻辑表达式。
逻辑门电路：掌握 TTL、CMOS 等基本逻辑门电路的特性。
状态机（FSM）：这是设计复杂逻辑的核心，必须理解 Moore 和 Mealy 状态机的区别以及如何设计。

2. 硬件描述语言（HDL）：这是你和 FPGA “沟通”的语言。
Verilog HDL：这是目前最流行、最广泛使用的 HDL 语言之一，语法更接近 C 语言，学习曲线相对平缓。
VHDL：另一种强大的 HDL 语言，在欧洲和一些工业领域应用广泛，语法更严谨，但学习曲线相对较陡。
学习建议：选择其中一种，深入学习。Verilog 是更普遍的选择。你需要理解：
数据类型和运算符： `reg`, `wire`, `integer`, `signed`, `unsigned` 等。
模块（module）的概念：如何划分设计。
行为级建模：使用 `always` 块、`assign` 语句描述逻辑。
结构级建模：使用实例化来连接逻辑模块。
参数化（parameter）：提高代码的可复用性。
时序控制： `posedge`, `negedge`, `always @(posedge clk)`。
阻塞与非阻塞赋值： `assign` vs `=`, `always @() a = b` vs `always @(posedge clk) q <= d`。这是初学者最容易混淆但又至关重要的地方。

3. 计算机体系结构基础（可选但强烈推荐）：了解 CPU、内存、总线等基本概念，有助于你理解更高级的设计。

4. C 语言基础（可选但强烈推荐）：很多 FPGA 项目会与嵌入式系统结合，C 语言是嵌入式开发的主流语言。

5. Linux 命令行操作（如果选择 Linux 平台）：很多 FPGA 工具和脚本都运行在 Linux 环境下，熟悉基本的命令行操作会事半功倍。

再来，学习的“方法论”也很关键。

1. 从简单到复杂：
流水灯：这是 FPGA 入门的第一课，让你熟悉从编写代码到下载到板子的整个流程。
LED 闪烁控制：学习如何使用时钟分频。
按键消抖：学习如何处理硬件输入信号的抖动。
数码管显示：练习状态机和多任务并发。
UART 通信：学习异步串行通信协议。
SPI/I2C 通信：学习常见的片上通信协议。
VGA 显示：练习时序控制和图像生成。

2. 理解开发流程：
代码编写：使用 HDL 语言描述你的设计。
仿真（Simulation）：在软件中验证你的代码是否符合预期。这是找出逻辑错误最有效的方式，比在硬件上调试效率高很多。你需要学习如何编写测试平台（Testbench）。
综合（Synthesis）：将 HDL 代码转化为门级网表。
实现（Implementation）：包括布局（Placement）和布线（Routing），将网表映射到 FPGA 的具体资源上。
时序分析（Timing Analysis）：检查设计的时序是否满足要求，有没有时序违例（Timing Violation）。
生成比特流（Bitstream Generation）：将最终的硬件配置信息生成为 FPGA 可以加载的文件。
下载（Configuration）：将比特流文件通过下载线加载到 FPGA 芯片中。
硬件调试（Hardware Debugging）：使用片上逻辑分析仪（如 Xilinx ILA, Intel SignalTap）等工具在实际硬件上观测信号，找到问题。

3. 多看、多练、多思考：
官方文档： FPGA 厂商提供的用户手册、应用笔记、入门指南是最好的参考资料。虽然枯燥，但信息量巨大。
教程和书籍：找一些评价好的 FPGA 入门书籍和在线教程，系统地学习。
开源项目：很多 FPGA 项目的源码是开源的，可以学习别人的设计思路和实现方式。
社区论坛：遇到问题时，去 FPGA 相关的技术论坛、QQ 群、微信群等提问，很多有经验的工程师会给你解答。
动手实践：这是最重要的一点。光看不练假把式，一定要亲手去敲代码、去运行、去调试。

最后，一些“软实力”的建议：

1. 耐心和毅力： FPGA 开发是一个需要细心和耐心的过程，尤其是在调试硬件时，可能会遇到各种意想不到的问题。不要轻易放弃，坚持下去，你会发现其中的乐趣。
2. 解决问题的能力：学习如何有效地搜索信息，如何分析错误报告，如何定位问题根源。
3. 好奇心：对数字世界背后的原理保持好奇，不断探索新的技术和应用。
4. 合作精神：如果有机会，和志同道合的朋友一起学习，互相交流，共同进步。

总而言之，学习 FPGA 需要的是一个从“硬件原理”到“软件工具”再到“开发语言”的全方位准备。你需要的不仅仅是这些物品，更是一种对技术的热情和钻研精神。祝你在 FPGA 的学习之路上，收获满满！

网友意见

如果把FPGA的学习比喻乾坤大挪移的话，有七层的修炼境界

1：第一层：会写代码，能仿真。

会写veriog代码，会写testbench。

会用modelsim或者其他仿真工具，检查代码的bug及问题。

能够写模块级别的代码，仿真没有问题，算是精通第一层。

2：第二层：熟悉FPGA的架构，能够写约束，

对于FPGA内部资源如数家珍，能够有效利用FPGA内部资源，例如各种类型的RAM，LUT，BUG，serdes等等。可以进行FPGA选型。

可以对设计进行约束：

例如IO的约束

时序的约束；

位置的约束。

精通此层的人，可以称得上算是会FPGA了。

3：第三层：熟悉接口，熟悉通信协议

会用xilinx等FPGA的IP。

例如PCIE的IP，XDMA， SATA，SERDES等等。

可以把xilinx的用例跑通，可以在用例的基础上，通过添加及修改实现需求及功能

精通此层的人，可以很快接手并开展一个项目，成为项目负责人。

4：第四层：可以准确定位问题并解决问题。

可以通过调试解决问题，熟悉使用各种硬件，软件，FPGA内部逻辑分析仪等调试手段。

解决包括且不限于硬件问题，软件问题，FPGA问题。

一句话：解决别人解决不了的问题。

大家有FPGA解决不了的问题就找他解决。

精通此层的人，通常在公司被称为大牛。

5：第五层：懂算法，协议；

例如可以将某个协议，创造性实现在FPGA上。

例如AI的inference，

例如TCP的offload。

一个系统kernel级别的C程序，或者AI的python程序，别人不知道如何下手。

此层的人可以在FPGA上干净利索的实现。

核心指标是在FPGA上能够完成别人搞不定的算法，或者别人达不到的性能。（这个复杂度是AI的性能和TCP卸载来衡量的，不是一般的算法实现）

精通此层的人，经常被称为架构师。

6：第六层：精通体系结构

精通体系结构，实现软硬件划分。

例如kernel，虚拟化，容器，VF等

了解如何这些需求和FPGA的配合，

精通此层的人，可以实现例如虚拟化OVS卸载，P4协议实现，裸金属云管理及应用等等

可以通过FPGA实现类似DPU的卸载，目前很多公司做FPGA来实现这个东西。

精通此层的人，可以去技术创业，通常被称作CTO。

7：第七层：

乾坤大挪移的第七层，张无忌也没有练成过，不过可以类比一下。

电影《苏乞儿》中，周星驰扮演的主人公苏乞儿最后一掌“亢龙有悔”解决掉大boss，悟到了第十八掌是前十七掌的组合。苏乞儿通过这些基本招式的组合成额外的一招，提升了掌法的威力，

那么，FPGA的第七层，那就是能够融汇贯通前面6层的能力，实现的从顶层到底层全栈能力。

精通此层人，通常被称之为“大神”。

另外：

FPGA工程师和IC设计工程师差别不小，虽然都是要熟悉verilog代码，但是IC设计工程师是专注，例如作为IP owner，IC工程师的设计，不会跨度很大，大部分参与都是IP级别，系统级涉及较少。且SOC设计有章可循。

而FPGA工程师却是要十八般武艺样样精通，因为FPGA系统级，但是代码质量和研究深度与IC工程师有差距。

简单来说，一个是专，一个是博。

当然，这个也分人。

如果是做芯片部门的FPGA验证工程师，这个就是原汁原味的移植原有的设计，主要考虑的是对FPGA资源的熟悉，考虑的是时钟，复位，memory，serdes等如何替换等工作。这个和上述的两种都不是一个工种。

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