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FPGA作为一种高新的技术,已经逐渐普及到了各行各业,无论是消费类、通信类、电子行业都无处不在它的身影,从1985年第一颗FPGA诞生至 今,FPGA已经历了将近20多个年头,从当初的几百个门电路到现在的几百万门、几千万门……,从原来的上千元的天价到现在几元的超低价,可谓是出现了翻 天覆地的变化。所以当前正是学习FPGA的最好时机,无论是社会的需求也好,还是技术的成熟度也好,已经达到了前所未有的高度,我们可以花更少的成本,并 以最快的速度掌握一种新的前沿技术,对我们的未来发展将会是非常大的帮助。
作为一个FPGA的初学者必须要了解以下几个问题:什么是FPGA?为什么要学习FPGA?如何去学FPGA?
1.1
FPGA诞生于1985年,当时第一个FPGA采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85000个晶体管,门数量不超过1000个,由名为Ross Freema所发明,当时他所创造的FPGA被认为是一个不切实际发明,他的同事Bill Carter曾说:“这种理念需要很多晶体管,并且那时晶体管是非常珍贵的东西。”,所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计:根据摩 尔定律(每18个月晶体管密度翻一翻),晶体管肯定会越来越便宜,因此它就越来越常见。在短短的几年内,正如Ross所预言的,出现了数十亿美元的现场可 编程门阵列(FPGA)市场。但是可惜的是,他无法享受这一派欣欣向荣的景象,在19***Ross Freeman就与世长辞了,但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。
我们都知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等,而他们都是用三极管、二极管和电阻等元件构成,然后与门、或门、非门又构成了各种触发器, 实现状态记忆,FPGA属于数字逻辑电路的一种,同样由这些最基本的元件构成。一个FPGA可以将上亿个门电路组合在一起,集成在一个芯片内,打破以往需 要用庞大分立门电路元器件搭建的历史,不仅电路面积、成本大大减小,而且可靠性得到了大幅度的提升。
一般的FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块以及片内外设组成,所谓的最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小的单 元,我们只能将这些单元通过互联线将其连接起来,然后实现用户特定的功能。一个LE由触发器、LUT以及控制逻辑组成,可以实现组合逻辑和时序逻辑;随着 FPGA集成度的不断增加,其内部的片内外设也越来越多,内部可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设,真正实现单芯片解决整个系统功能的目的。 所以我们所理解的FPGA最底层是一些实实在在的门电路构成,然后由门电路构成最小的物理逻辑单元,然后通过布线层将这些最小物理逻辑单元连接成用户需要 的特定功能,我们所需要控制的是布线层之间的互连开关,这也是我们编程的对象,通过这些开关来改变功能。
当今的FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺(工艺是针对它们的编程开关来说的)两类,SRAM工艺的FPGA最大的特点是掉电数据会丢 失,无法保存,所以它们的系统除了一个FPGA以外,外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据,每次上电的时候都需要从这个配置芯片将配置数据流加载 到FPGA,然后才能正常的运行;但是Flash架构的FPGA掉电不会丢失数据,无需配置芯片,上电即可运行,它的特点非常类似ASIC,但是又比 ASIC更加的灵活,可以重复编程。在一些小规模的公司或者产品量不是很大的时候往往更倾向于用FPGA来取代ASIC,不仅能够降低风险,而且能够降低 成本。
1.2
FPGA从诞生以来,经历了从配角到主角的过程,从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说,最初只是逻辑器件,现在强调 平台概念,加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术,从而被应用到更多的领域,正因为其飞速的发展,让更多学FPGA的人看到了希望,其广 阔的前景正是我们选择的原因之一。
据市场调研公司Gartner Dataquest预测,2010年FPGA和其它可编程逻辑器件(PLD)市场将从2005年的32亿美元增长到67亿美元,未来还将有不断往上增长的 趋势。FPGA及PLD产业发展的最大机遇是替代ASIC和专用标准产品(ASSP),由ASIC和ASSP构成的数字逻辑市场规模大约为350亿美元。 由于用户可以迅速对PLD进行编程,按照需求实现特殊功能,与ASIC和ASSP相比,PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势,所以未来 FPGA将会是一个非常有前景的行业。
FPGA由于其结构的特殊性,可以重复编程,开发周期较短,越来越受人们的青睐,它的特点也更接近ASIC,ASIC比FPGA最大的优势是低成本,但是 FPGA的价格现在也是越来越低,例如:Actel的Nano系列更是打破了FPGA的价格屏障,提供超过50种低于1美金的FPGA,在一定程度上已经 可以与ASIC相抗衡。
根据当前发展的趋势,未来的FPGA势必将会取代一部分ASIC的市场,虽然根据摩尔定律(Moore’s Law):每18至24个月能在相同的单位面积内多挤入一倍的晶体管数,这意味着电路成本每18至24个月就可以减半,但这只是指裸晶(Die)的成本, 并不表示整个芯片的成本减半,这是由于晶圆制造更前端的掩膜(Mask)成本、晶圆制造更后端的封装(也称为:构装、包装)成本、人力成本等都不会随摩尔 定律而变化,反而芯片的成本有上升的趋势,所以过去许多中、小用量的芯片无法用先进的工艺来生产,对此不是持续使用旧工艺来生产,就是必须改用FPGA芯 片来生产……
因此,未来的趋势告诉我们,FPGA将成为21世纪最重要的高科技产业之一,特别是国内的FPGA市场,更是一个“未开垦的**地”,抓住现在的机遇意味着为我们将来的产品提供更多的竞争力。
2.
由此可见在应届毕业生中熟练掌握FPGA的学生属于稀缺资源,然而企业为培养FPGA开发工程师无不付出沉重的代价,所以对于在校电类专业的学生来说,这 就是打造个人差异化竞争力的机会,事实上只要掌握FPGA就能够找到一份薪水更好的工作。我们公司每次在考核员工时往往都会特别关注这些“特殊员工”的情 况,一般来说这些员工的工作都会比其它岗位高500元,这就是学习FPGA的优势,但是很多人不曾完全意识到掌握FPGA技术的重要性。
当前受金融危机的影响,对学生的就业更是巨大的考验,据教育部的统计,2008年,全国普通高校毕业生达559万人,比2007年增加64万人,2009 年高校毕业生规模达到611万人,比2008年增加52万人,如此多的大学生面临着就业的问题,如果不具备一定的技能,将会淹没在大学生的潮流之中而找不 到理想的工作,而学习FPGA可以帮助学生多一技之长,大大提高就业的机会。
3.具有更大的技术扩展空间
所以IC设计也是未来发展的一个重点方向,将会是国家大力扶持的产业之一,而IC的设计人员所必须掌握的是FPGA的技术,在芯片流片之前都是通过 FPGA来进行前期的设计验证,用的语言也是FPGA的设计语言,只是在后端的设计中才用到IC设计的特定技术,所以IC设计人员必定是懂得FPGA设计 的人,掌握FPGA的技术是通往IC设计殿堂的必经之路,学习FPGA有助于给我们更大的技术扩展空间。
1.3
1.
如果是学生,学习Verilog最好的时期是在大学二年级,与数字电路同步学习,不仅能够理解数字电路实现的方式,更能通过FPGA将数字电路得以实现, 笔者发现华中科技大学康华光教授主编的《电子技术基础(数字部分)》非常好,可以说是一本与时俱进的教材,在其中介绍了Verilog语言,并且在每一章 的最后一节都介绍了如何使用Verilog建模实现相关数字电路的内容,非常适合大二学习FPGA的学生,本书同样以《电子技术基础(数字部分)》为背 景,并与该书进行配套同步,在它的基础上进行了升华和改进,源于它而又高于它,所以也可以同步学习。大三、大四的学生还可以进一步将Verilog进行强 化,学习北京航天航空大学的夏宇闻教授编写的《Verilog数字系统设计教程(第二版)》可以比较全面地、详细地掌握Verilog的基本语法,对大二 学习的内容进一步的巩固和强化。
如果是其他初学者,可以直接借助《Verilog数字系统设计教程(第二版)》和本书即能对Verilog的语法进行全面的掌握。这是学习FPGA的第一步,也是必不可少的一步。
2.
过去的一年来,我们一共投入了4位开发工程师围绕EasyFPGA030开展工作,翻译全部开发工具软件技术资料,先自己吃透然后再根据自己的理解、实践 和多次讨论,将技术资料通俗化,并且录制了第一个“Actel FPGA快速入门视频教程”供初学者免费下载,便于初学者快速入门,当第一版做出来销售1000套之后,才发现初学者的焊接经验不足,于是又开始设计第二 版,这就是目前大家在网站上见到的一体化EasyFPGA030开发学习板。为了能够带给大家最准备、最权威的知识,我们还请了国内第一个EDA创始人之 一的夏宇闻教授给我们进行Veirlog的培训,培训完后我们制作一系列Veirlog视频教程和PPT供初学者学习,同样免费提供给大家。同时,我们和 夏老师一起共同合作编写了本书,目的是希望能够以最快的速度帮助初学者入门,另外我们还有一个30人的团队全面的提供FPGA的技术支持和售后服务,解决 用户的后顾之忧。
所以通过EasyFPGA030的平台学习,不仅节约了前期学习的成本,而且该套件详实的资料使得非常的易用易学,对于初学者来说是一个不可多得的FPGA开发平台。
3.
广州周立功公司已经成功举办了两届“Actel杯全国大学生FPGA电子竞赛”,参加的队伍分别是100队和300队,每支队伍都将免费获得价值1480 元的一套FPGA开发套件作为竞赛的平台,竞赛完后该套件无需退回,而且设置了最高5000元的奖金,这种举措对公司来说只有投入,很难看到产出,但是我 们还坚持做了,主要是想给学生提供施展才华的舞台,让更多的人了解FPGA,学会FPGA,2009年我们又将启动了第三届竞赛,将队伍扩大到1000 支,给更多的人提供机会,我们的目标就是要将创新教育实践活动进行到底,培养出一批又一批适合企业发展的人才。
1.4
参考原文:http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3009771.HTM?click_from=8800023988,9950310837,2014-10-13,EDNCOL,NEWSLETTER 刘银华
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原文地址:http://blog.csdn.net/guomutian911/article/details/40040025