FPGA内部逻辑结构实现的基础

FPGA学习重点

1. 看代码，建模型

只有在脑海中建立了一个个逻辑模型，理解FPGA内部逻辑结构实现的基础，才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的，才能理解顺序执行语言和并行执行语言的设计方法上的差异。在看到一段简单程序的时候应该想到是什么样的功能威廉希尔官方网站 。

2. 用数学思维来简化设计逻辑

学习FPGA不仅逻辑思维很重要，好的数学思维也能让你的设计化繁为简，所以啊，那些看见高数就头疼的童鞋需要重视一下这门课哦。举个简单的例子，比如有两个32bit的数据X[31:0]与Y[31:0]相乘。当然，无论Altera还是Xilinx都有现成的乘法器IP核可以调用，这也是最简单的方法，但是两个32bit的乘法器将耗费大量的资源。那么有没有节省资源，又不太复杂的方式来实现呢？我们可以稍做修改：

将X[31:0]拆成两部分X1[15:0]和X2[15:0]，令X1[15:0]=X[31:16]，X2[15:0]=X[15:0]，则X1左移16位后与X2相加可以得到X；同样将Y[31:0]拆成两部分Y1[15:0]和Y2[15:0]，令 Y1[15:0]=Y[31:16]，Y2[15:0]=Y[15:0]，则Y1左移16位后与Y2相加可以得到Y，则X与Y的相乘可以转化为X1和X2 分别与Y1和Y2相乘，这样一个32bit32bit的乘法运算转换成了四个16bit16bit的乘法运算和三个32bit的加法运算。转换后的占用资源将会减少很多，有兴趣的童鞋，不妨综合一下看看，看看两者差多少。

3. 时钟与触发器的关系

“时钟是时序威廉希尔官方网站 的控制者”这句话太经典了，可以说是FPGA设计的圣言。FPGA的设计主要是以时序威廉希尔官方网站 为主，因为组合逻辑威廉希尔官方网站 再怎么复杂也变不出太多花样，理解起来也不没太多困难。但是时序威廉希尔官方网站 就不同了，它的所有动作都是在时钟一拍一拍的节奏下转变触发，可以说时钟就是整个威廉希尔官方网站 的控制者，控制不好，威廉希尔官方网站 功能就会混乱。

打个比方，时钟就相当于人体的心脏，它每一次的跳动就是触发一个 CLK，向身体的各个器官供血，维持着机体的正常运作，每一个器官体统正常工作少不了组织细胞的构成，那么触发器就可以比作基本单元组织细胞。

时序逻辑威廉希尔官方网站 的时钟是控制时序逻辑威廉希尔官方网站 状态转换的“发动机”，没有它时序逻辑威廉希尔官方网站 就不能正常工作。因为时序逻辑威廉希尔官方网站 主要是利用触发器存储威廉希尔官方网站 的状态，而触发器状态变换需要时钟的上升或下降沿，由此可见时钟在时序威廉希尔官方网站 中的核心作用。

FPGA开发笼统的说可以分为两个方向，一个是接口方向、一个是算法方向。

接口方向

接口方向可不是简单的uart、IIC、SPI等这些简单接口，这些东西不足以支撑一个方向，大部分都是基于serdes的高速复杂接口，例如PCIE、SATA等。还有以太网，甚至可能不太复杂的SDRAM控制接口。

这些接口简单么? 简单，不是都有IP核可以调用么，IP核是个好东西，节省了我们大部分的时间，要不自己写一个试试？感觉impossible啊，看看那一堆复杂的协议，光用ip核都一大堆问题了，还敢夸口自己写，

要是没人带，很难自己搞的出来。这也是我害怕搞接口的原因。之前公司有一个华为的大牛，没有用厂家的IP核，说这个收费的IP核要多少W美刀，硬是自己写了一个，我是一直都很佩服他的，因为这种接口如此的复杂，光理解那些协议还是英文的，我都不知道能不能理解。也许是他之前在华为搞过这个接口，但早期华为出来的人，估计大概是（03年~13年）在华为吧，真的是有很厉害，现在的华为据说分的特别细，可能一个人就负责一个模块，好几年都是这样，把细节做到极致，但是人就螺丝钉化了，有好有不好吧。

因为工作的原因，现在已经接触到了serdes以及基于serdes的jesd和cpri协议等，可以说接口方面也算是入了门的吧，但实际上也都是IP核来实现的，光ip核调试起来有时候都要磨很久了。甚至有时候光一个小问题磨你一两个月都很常见

因为接口方向我可能是入门水准，也就不说太多了。

总之接口方向就是 复杂的接口+复杂的协议，要阅读海量的数据手册，跟硬件专业亲密的扯皮加配合，踩过无数的坑，方能略有小成

算法方向

接下来说说算法方向，一般来说以算法作为一个方向，那么这个算法整体来说是非常复杂的。以导航的定位解算来举例。

导航的定位解算包括：中频信号搬频到基带、进行信号的捕获（涉及相关运算、FFT等）、信号的跟踪（数字锁频环、数字锁相环、观测量提取、电文的提取）、电文提取（信道解码、解交织、位同步、帧同步、电文解析）、定位解算（伪距计算输出、载波相位输出，最小二乘法算法，星历参数计算，统称PVT解算（位置、速度、时间） ）

这么多算法全部整合在一起，需要进行充分的验证，如果只是用类似modelsim来仿真，那速度真是慢的想哭。那么我们需要更高级的方法，我们需要一个定点模型，matlab定点模型或者C定点模型。对于某些要做芯片的工程，一般是要做成C模型，C模型的效率比matlab更高，虽然看起来matlab更简单直接

算法模型要做到什么程度呢，最理想的就是要做到和modelsim仿真结果一模一样，无论是某些重要的中间结果还是最终结果，无论是数据流型的结果还是触发型的结果，都要完全的一模一样。因此算法模型的搭建会占用你大量的时间，但是一但搭建成功，则后面大部分验证都完全可以通过算法模型去仿真，不在需要在用modelsim进行仿真了，因为modelsim相对于matlab或者C模型来说，实在是太慢太不方便了。

之前在那家创业公司弄GPS导航信号接收处理，捕获部分是比较复杂的，100多个并行相关器进行短时相关+FFT的操作，我是花了很多时间用matlab做了完全一致的定点化模型，完成了之后，后面要改什么，或者要验证什么就非常方便了，因为我可以直接在matlab模型上进行验证了，无需通过跑modelsim，基本就知道其是否正确了

matlab做算法模型还比较好理解，但C做算法模型呢

以下这个这个例子，表示用C来实现GPS C/A码并且进行验证

#include

#include

#include

#include "PrnGen.h"

#include "PrnInit.h"

#include "GPSPrnTable.h"

void main(void)

{

    PrnGen PrnGen;

    int i,j,prn;

    int error = 0;

    int CodeOutI[1023];

    unsigned int SRegs[24];

    unsigned int SBuffer[6];

    // set 0 for GPS , G1 and G2 parallel, code length = 1023

    SRegs[0] = (0x3a6 << 14) | 0x204;

    SRegs[1] = 1023 << 14;

    SRegs[2] = (0x3a6 << 14) | 0x204;

    SRegs[3] = 1023 << 14;

    // check GPS L1 C/A in CodeI

    PrnGen.SetPoly(&(SettingRegs[0]));

    for (prn=1; prn<=32; prn++)

    {

        SBuffer[0] = SBuffer[2] = CAPrnInit[prn];

        SBuffer[4] = 0;

        for(i=0;i<10;i++)

        {

            PrnGen.Reset();

            PrnGen.LoadState(SBuffer);

            for(j=0; j<1023; j++)

            {

                CodeOutI[j] = PrnGen.GetCodeI();

                PrnGen.ShiftCodeI();

                if (CodeOutI[j] != CAcode[prn-1][j])

                {

                    error = 1;

                    printf("error on prn%d bit%d! ", prn, j);

                }

            }

            PrnGen.DumpState(SBuffer);

        }

    }

    if (error == 0)

        printf("C/A code test passed! ");

    system("PAUSE");

}

上面是模拟verilog实现的功能，其实虽然C和MATLAB是顺序执行的，但也是可以模拟verilog并行执行的,如下面就是模拟verilog的并行执行功能

while (1)

{

clkcnt = clkcnt +1;

delay_d3 =delay_d2;

delay_d2 = delay_d1;

delay_d1 = delay_in;

}

这个等效于verilog的下面语句

always @（POSedge clk）

begin

delay_d1 <= delay_in;

delay_d2 <=delay_d1;

delay_d3 <= delay_d2;

end

以上只是冰上一脚，以前接触过的大型工程，甚至要做芯片去流片的C算法模型非常的庞大

总结

如果以武功来描述这两个方向的关系，接口就是剑，算法是气。

剑是纷繁复杂的招数，华山剑法（JESD）、嵩山剑法(PCIE)、辟邪剑法（SATA），每一个都招式繁多，但每个招式都记录于剑谱（协议）只上，因为招式是死的，理论上只要有人手把手的教，基本都能学会。但事实上不会有人手把手的教，一般只有门派(公司)有什么才能学到什么，而且也不会有人手把手去交，老员工一般只是会稍加提点，大部分情况下要去自己勤加苦练。想学更多只能改投其他门派了，但投靠门派多了，可能各门武功都学艺不精了。

气是深厚内力的修为，紫霞神功（数字信号处理）、吸星大法（高等数学），这些东西只有口诀，完全根据自己的悟性才能练到多少重。想想当年高等数学都理解了不，数字信号处理、信号与系统都想得明白么，想不明白，有人教也没用，因为理解不了。第一家公司有一个清华的同事，人家理解LDCP编解码，人家理解的那一个快呀。我是半天都看不懂，因为我高等数学差呀。。。这真的跟智商有关系呀。

以上是一些粗鄙的认识，两个方向都不容易，接口需要对架构、协议做非常深的理解才能游刃有余，而且调接口是非常需要经验的，高手都是踩过无数的坑而来。算法实现首先需要一些理论功底，首先必须完全理解这个算法，然后算法实现的好坏优劣也跟你实现的方式有关。所以无论是练剑还是练气，练到极致那都是非常优秀的了。