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电路。

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

“时钟是时序电路的控制者”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电路为主，因为组合逻辑电路再怎么复杂也变不出太多花样，理解起来也不没太多困难。但是时序电路就不同了，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电路的控制者，控制不好，电路功能就会混乱。

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。

时序逻辑电路的时钟是控制时序逻辑电路状态转换的“发动机”，没有它时序逻辑电路就不能正常工作。因为时序逻辑电路主要是利用触发器存储电路的状态，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电路中的核心作用。

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。　　

      审核编辑：彭静