小白学习FPGA必备的四个基础知识

FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，是一种硬件可重构的体系结构，以其并行处理能力强、开发周期短、逻辑可实时改变等优势，在数字信号处理、图像处理、通信等多个领域得到了广泛应用。对于新手而言，学习FPGA需要掌握一些基础知识，本文将从四个方面进行详细介绍：FPGA的基本概念与工作原理、硬件描述语言（HDL）、数字电路基础以及硬件设计思想。

一、FPGA的基本概念与工作原理

FPGA是一种集成电路，它包含了大量可以编程的逻辑单元和可编程的互连资源。这些逻辑单元可以配置成各种数字电路，如与门、或门、非门等，通过编程实现特定的功能。FPGA的编程是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式。

FPGA的工作原理可以简单理解为：通过修改真值表和连接关系，将FPGA内部的逻辑单元组合成一张专门的真值表，以实现特定的功能。这与软件编程中处理器逐条翻译语言、控制内部电路完成运算或操作的方式有本质区别。因此，学习FPGA需要理解其内部的工作原理，学会如何利用这些单元实现复杂的逻辑设计。

二、硬件描述语言（HDL）

HDL是硬件描述语言，用于描述硬件电路的结构和行为。目前主流的HDL有Verilog和VHDL两种。HDL与C语言等高级编程语言有本质区别，它是一种“描述”语言，用文本的方式把硬件电路描述出来。在学习HDL时，需要正确理解“描述”的含义，能够在阅读HDL程序时，在脑子里反映出一个完整的硬件电路结构。

HDL的学习包括基本语法、代码编写、仿真工具的使用以及代码调试技巧。通过练习编写简单的电路代码，如LED闪烁、计数器等，可以加深对HDL的理解。同时，利用仿真工具可以验证代码的正确性，观察输出结果是否与预期一致。

三、数字电路基础

数字电路基础知识是FPGA学习的基础。FPGA本质上是一堆数字逻辑组合在一起实现特定功能的集成电路。因此，学习FPGA需要掌握触发器、组合电路、时序电路、竞争、毛刺等基本概念。这些基础知识对于理解FPGA内部的工作原理、编写正确的HDL代码以及进行硬件设计至关重要。

在学习数字电路基础时，需要理解各种门电路（如与门、或门、非门）的工作原理和特性。同时，还需要学习如何将抽象的算法提炼成算法的结构，再分解成具体的模块并通过硬件电路实现出来。这是从菜鸟级别步入老鸟级别的关键步骤。

四、硬件设计思想

学习FPGA一定要有硬件设计思想。与软件编程不同，硬件设计更注重资源的利用和并行处理。在FPGA中，如果实现一个乘法器不够用，可以实现两个或三个来满足系统要求；可以进行流水线设计；串行运行方式不够快了，可以先串并转换，再并行的做处理。这些都需要充分利用FPGA的资源去满足系统要求。

硬件设计思想的核心是摒弃软件编程的一些固有思路，学会用硬件的方式去解决问题。例如，在软件编程中，如果系统要求1秒钟实现50次乘法运算，我们会尽可能的优化代码，让代码更简洁更高效。但在FPGA中，我们更注重的是资源的利用和并行处理的能力。因此，在编写HDL代码时，需要时刻提醒自己正在设计的是一个电路，而不是一行行空洞的代码。

结语

FPGA的学习是一个不断积累和实践的过程。通过掌握FPGA的基本概念与工作原理、学习硬件描述语言、打牢数字电路基础以及培养硬件设计思想，新手可以逐步提高自己的FPGA编程能力。同时，还需要不断参与实践项目、加入相关的社区和论坛、与其他FPGA开发者交流经验和心得。这些都将为学习FPGA提供宝贵的资源和支持。希望每个学习FPGA的人都能成为大牛，设计出自己的完美电路。