为什么很多人会觉得FPGA难学？

1）不熟悉FPGA的内部结构，不了解可编程逻辑器件的基本原理。

FPGA为什么是可以编程的？

恐怕很多自以为入门都不知道，可能也不想知道。因为觉得这是无关紧要的。潜意识的认为可编程嘛，肯定就是像写软件一样啦。

软件编程的思想根深蒂固，看到 Verilog HDL 或者 VHDL 就像看到 C 语言或者其它软件编程语言一样。一条条的读，一条条的分析。如果始终拒绝去了解为什么FPGA是可以编程的，不去了解FPGA的内部结构，要想学会FPGA 恐怕是天方夜谭。尽管现在的EDA软件日益成熟，开发者像写软件那样照葫芦画瓢也能综合出点东西，但不知道原理及内部结构，还是一脸懵，还是不知道EDA软件最后综合出来的到底是什么。也许点个灯，跑个流水灯还行。这样就是为什么很多人学了很久，依然进步不明显，还是一个菜鸟的原因。

那么FPGA为什么是可以“编程”的呢？

首先来了解一下什么叫“程”。其实 “程”只不过是一堆具有一定含义的01编码而已。编程，其实就是编写这些01编码。只不过我们现在有了很多开发工具运算或者是其它操作。所以软件是一条一条的，通常都不是直接编写这些01编码，而是以高级语言的形式来编写，最后由开发工具转换为这种01编码而已。对于软件编程而言，处理器会有一个专门的译码电路逐条把这些01编码翻译为各种控制信号，然后控制其内部的电路完成一个个的读，因为软件的操作是一步一步完成的。

而FPGA的可编程，本质也是依靠这些01编码实现其功能的改变，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像软件那样将01编码翻译出来再去控制一个运算电路，FPGA里面没有这些东西。

FPGA内部主要三块：可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。可编程的逻辑单元是什么？其基本结构是某种存储器（Sram、 Flash等）制成的4输入或6输入1输出的“真值表”加上一个D触发器构成。任何一个4输入1输出组合逻辑电路，都有一张对应的“真值表”，同样的如果用这么一个存储器制成的4输入1输出的“真值表”，只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意4输入1输出的组合逻辑。

这些“真值表”内部值是什么？

就是那些01编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办？这不就是D触发器嘛，任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑+D触发器来完成。但这毕竟只实现了4输入1输出的逻辑电路而已，通常逻辑电路的规模那是相当的大哦。那怎么办呢？这个时候就需要用到可编程连线了。在这些连线上有很多用存储器控制的连接点，通过改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。这就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。

最后就是可编程的IO，这其实是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚（FPGA中有专门的非用户可使用的测试、下载用引脚）为输入还是输出，还可以对IO的电平标准进行设置。

总归一句话，FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的01代码制作成一张张 “真值表”，并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。不了解FPGA内部结构，就不能明白最终代码如何变到FPGA里面去的。也就无法深入的了解如何能够充分运用FPGA。

现在的FPGA，不单单是有前面讲的那三块，还有很多专用的硬件功能单元，如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计，是从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这一切，还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。

2）错误理解HDL语言，怎么看都看不出硬件结构。

HDL语言的英文全称是：Hardware Description Language，注意这个单词Description，而不是Design。开发者为什么要用 Description 这个词而不是Design呢？因为HDL确实不是用用来设计硬件的，而仅仅是用来描述硬件的。

描述这个词精确地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已，只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。

但是很多人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作不就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢？

其实这就是很多人没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，最初的设计也许就是一个概念，设计出这个概念也是就是一个点子而已，离最终拍成广告还差得很远。硬件设计也是有不同的抽象层次，每一个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。

使用HDL的好处在于我们已经设计好了一个寄存器传输级的电路，那么用HDL描述以后转化为文本的形式，剩下的向更低层次的转换就可以让EDA工具去做了，这就大大的降低了工作量。这就是可综合的概念，也就是说在对这一抽象层次上硬件单元进行描述可以被EDA工具理解并转化为底层的门级电路或其他结构的电路。

在FPGA设计中，就是在将这把抽象层级的意见描述成HDL语言，就可以通过FPGA开发软件转化为问题中所述的FPGA内部逻辑功能实现形式。HDL也可以描述更高的抽象层级如算法级或者是体系结构级，但目前受限于EDA软件的发展，EDA软件还无法理解这么高的抽象层次，所以 HDL描述这样抽象层级是无法被转化为较低的抽象层级的，这也就是所谓的不可综合。所以在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。

如果看到的HDL始终是一条条的代码，那么你永远摆脱不了菜鸟的宿命。假如哪一天看到的代码不再是一行行的代码而是一块一块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

3）FPGA本身不算什么，一切皆在FPGA之外，这一点也是很多学FPGA的新手最难理解的地方。

FPGA是给谁用的？很多学校解释为给学微电子专业或者集成电路设计专业的学生用的，其实这不过是很多学校受资金限制，买不起专业的集成电路设计工具而用FPGA工具替代而已。

其实FPGA是给设计电子系统的工程师使用的。这些工程师通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一个电子设备，如基站、机顶盒、视频监控设备等。当现有芯片无法满足系统的需求时，就需要用FPGA来快速的定义一个能用的芯片。前面说了，FPGA里面无法就是一些“真值表”、触发器、各种连线以及一些硬件资源，电子系统工程师使用FPGA进行设计时无非就是考虑如何将这些以后资源组合起来实现一定的逻辑功能而已，而不必像IC设计工程师那样一直要关注到最后芯片是不是能够被制造出来。

本质上和利用现有芯片组合成不同的电子系统没有区别，只是需要关注更底层的资源而已。要想把FPGA用起来还是简单的，因为无非就是那些资源，在理解了前面两点再搞个实验板，跑跑实验，做点简单的东西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂点FPGA知识就远远不够了。因为最终要让FPGA里面的资源如何组合，实现何种功能才能满足系统的需要，那就需要懂得更多更广泛的知识。

目前FPGA的应用主要是三个方向：

第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的 FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。

第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。

目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学运算了，这个问题只有再议了。

第三个方向就是所谓的SOC/SOPC方向，片上系统，综合性的，这里简单说一下。其实严格意义上来说这个已经不在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。

设计对于FPGA本身的设计是相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。

但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。

4）数字逻辑知识是根本。

无论是FPGA的哪个方向，都离不开数字逻辑知识的支撑。FPGA说白了是一种实现数字逻辑的方式而已。如果连最基本的数字逻辑的知识都有问题，学习FPGA的愿望只是徒有空想了。而这，恰恰是很多新手最不愿意去面对的问题。数字逻辑是任何电子电气类专业的专业基础知识，也是必须要学好的一门课。很多人无非是学习了，考个试，完了。如果不能将数字逻辑知识烂熟于心，养成良好的设计习惯，学FPGA到最后仍然是雾里看花水中望月，始终是一场空的。

4）数字逻辑知识是根本。

以上是个人的一些见解，但是没有涉及到具体市场行情、工资待遇，本人在去年年底到今年年初，从各个方向做过半年的市场调研，由于篇幅原因，这里就不给大家去说了，后续有时间再整理一下，相信各种选择FPGA的大侠们，应该都发现了FPGA现在确实很火，尤其近两年，一句话总结，市场行情、薪资待遇，无可挑剔，但是，前提是技术硬实力过关。

对于FPGA的展望，这里放一张原来做报告的图吧，其他的就不过多说了。

FPGA的学习其实就像学习围棋一样，学会如何在棋盘上落子很容易，成为一位高手却是难上加难。要真成为李昌镐那样的神一般的选手，除了靠刻苦专研，恐怕还确实得要一点天赋。

如何入门？找适合自己的，取其精华去其糟粕

下面也为各位准备要学习FPGA或者专业对口的大侠们梳理了一下，仅供参考。

一、入门首先要掌握HDL（HDL=Verilog HDL +VHDL）。

第一句话是：还没学数电的先学数电。然后你可以选择 Verilog HDL或者VHDL，对于硬件描述语言的选择，大家不用纠结，如果没有个人或者特殊需求，本人建议先入手 Verilog HDL，Verilog HDL 设计运用比较灵活，有点类似于C语言，但是在学习的时候不能按照C语言的顺序执行去思考，要转变思想。而且本人调研结果显示，国内80%的企业FPGA工程师研发使用的都是 Verilog HDL。（调研样本企业超过百家，FPGA工程师超过千名）

对于 VHDL，逻辑比较缜密，格式要求比较单一，还是比较容易死记硬背的，verilog比较灵活，先学 Verilog HDL 的好处就是，可以灵活变通，如果先接触 VHDL 的话，怕你再接触 Verilog HDL时陷入死记硬背的节奏里，不太容易接受。

总的来说，学通透了，两者并没有什么影响，两种语言都熟练掌握当然是最好啦，但是你也可以仅掌握你需要用的，这个具体看个人需求了。

接下来，可以跟着实例敲代码。敲代码的意义在于熟悉语法规则和编译器（这里的编译器是硅编译器又叫综合器，常用的编译器有：Intel 的 Quartus 、Xilinx 的ISE和Vivado、Lattice的Diamond、Design Compiler 、Synopsys的VCS、iverilog、Microsemi/Actel的Libero、Synplify pro），现在流行的也就前三者了，而且前两位占据了90%，然后模仿着写，最后不看书也能写出来。编译完代码，就打开RTL图，看一下综合出来是什么样的电路。

HDL是硬件描述语言，突出硬件这一特点，所以要用数电的思维去思考HDL，而不是用C语言或者其它高级语言，

二、独立完成中小规模的数字电路设计。

现在，你可以设计一些数字电路了，像交通灯、电子琴、DDS等等，推荐的教材是夏宇闻教授《Verilog 数字系统设计教程》，最新版是第四版。

在这一阶段，你要做到的是：给你一个具体要求或者时序图，你能用HDL设计电路去实现它。这里你需要一块开发板，对于初学者而言，基础板子足够了，

可以选Intel altera的cyclone IV系列，或者Xilinx 的 Spantan 6。还没掌握HDL之前千万不要买开发板，因为你买回来也没用。这里你没必要每次编译通过就下载代码，可以用modelsim仿真（此外还有QuestaSim、NC verilog、Diamond的Active-HDL、VCS、Debussy/Verdi等仿真工具），如果仿真都不能通过那就不用下载了，肯定不行的。在这里先掌握简单的testbench就可以了。如何编写仿真测试文件，

三、掌握设计方法和设计原则

你可能发现你综合出来的电路尽管没错，但有很多警告。这个时候，你得学会同步设计原则、优化电路，是速度优先还是面积优先，时钟树应该怎样设计，怎样同步两个异频时钟等等。

四、学会提高开发效率

由于传统的EDA软件编辑器功能太弱，影响了开发效率。所以建议使用推荐的编辑器中代码片段的功能，Vs Code 或者 Notepad++，以减少重复性劳动。

Modelsim也是常用的仿真工具，学会TCL编写适合自己的DO文件，使得仿真变得自动化，推荐的教材是《TCL/TK入门经典》。你可能会手动备份代码，但是专业人士都是用版本控制器的，所以，为了提高工作效率，必须掌握GIT。文件比较器Beyond Compare也是个比较常用的工具。此外，你也可以使用System Verilog来替代testbench，这样效率会更高一些。

如果你是做IC验证的，就必须掌握System Verilog和验证方法学（UVM）。推荐的教材是《Writing Testbenches using SystemVerilog》、《The UVM Primer》、《System Verilog1800-2012语法手册》。

掌握了TCL/TK之后，可以学习虚拟Jtag（ISE也有类似的工具）制作属于自己的调试工具，此外，有时间的话，最好再学个python。脚本，意味着一劳永逸。
五、增强理论基础这个时候，你已经会使用FPGA了，但是还有很多事情做不了，比如，FIR 滤波器、PID 算法、OFDM 等，那是因为理论没学好。这里大概地分几个方向供大家参考，后面跟的是要掌握的理论课，有相关的公众号文章，也超链接提供参考学习。

1、信号处理相关《信号与系统》、《数字图像处理》、《信号与系统》、《现代数字信号处理》、《雷达信号处理》、《自适应滤波器原理》、《盲信号处理》、《数字信号处理》等；

2、接口应用相关（公众号内部很多资料，可自行搜索）接口举例：如、UART、SPI、I²C、USB、CAN、PCIE、Rapid IO、DDR、TCP/IP、SPI4.2(10G以太网接口)、SATA、光纤、DisplayPort；

3、无线通信相关

《信号与系统》、《数字信号处理》、《通信原理》、《数字信号处理》、《动通信基础》、《信息论与编码》等；

4、CPU设计相关

《单片机》、《计算机体系结构》、《计算机组成原理》、《编译原理》、《RISC CPU 设计》等；

5、仪器仪表相关

《模拟电子技术》、《高频电子线路》、《电子测量技术》、《智能仪器原理及应用》、《IFRD射频识别技术》等；

6、控制系统相关

《自动控制原理》、《现代控制理论》、《过程控制工程》、《模糊控制器理论与应用》、《电机拖动》等；

7、压缩、编码、加密相关

《信息论与编码》、《现代编码技术》、《抽象代数》、《数论》、《数据压缩导论》、《应用密码学》、《音频信息处理技术》、《数字视频编码技术原理》等。

现在你发现，原来FPGA会涉及到那么多知识，你可以选一个感兴趣的方向，但是工作中很有可能用到其中几个方向的知识，所以理论还是学得越多越好。如果你要更上一层，数学和英语是不可避免的。

六、学会使用MATLAB仿真

设计FPGA算法的时候，很多地方都会用到MATLAB，比如CRC的系数矩阵、数字滤波器系数、各种表格和文本处理等。此外，MATLAB还能用于调试HDL（用MATLAB的计算结果跟用HDL算出来的一步步对照，可以知道哪里出问题）。推荐的教材是杜勇的《数字滤波器的MATLAB与FPGA实现》。

七、足量的实践

这个时候你至少读过几遍芯片手册，对应资料对应官网都可以找到，然后可以针对自己的方向，做一定量的实践了（期间要保持良好的代码风格，增加元件例化语句的可读性，绘制流程图/时序图，撰写文档的习惯）。

不过这些算法，在书上只是给了个公式、框图而已，跟实际的差距很大，你甚至会觉得书上的东西都很肤浅。那么，你可以在知网、百度文库、EETOP、CSDN、博客园等搜索引擎或者技术论坛上面找些相关资料。

其实，当你到了这个阶段，你已经达到了职业级水平，有空就多了解一些前沿技术，这将有助于你的职业规划。

在工作当中，或许你需要关注很多协议和行业标准，协议可以在前沿论坛上面找到，而标准（如：国家标准GB和GB/T，国际标准ISO）就推荐《标准网》和《标准分享网》。

八、图像处像

1、编辑软件，Photoshop（PS）

花一到两周的时间学习PS，对图像处理有个大概的了解，知道各种图片格式、直方图、色相、通道、滤镜、拼接等基本概念，并能使用它。这部分是0基础，目的让大家对图像处理有个感性的认识，而不是一上来就各种各样的公式推导。推荐《Photoshop CS完全自学教程》。

FPGA技术江湖内部也有Photoshop的安装包，可以进入“FPGA技术江湖”公众号，在自我回复界面回复“ps 2019 安装包”，即可获取Adobe Photoshop CC 2019的软件安装包百度网盘链接。

2、基于MATLAB或OpenC++V的图像处理

有C/C++基础的可以学习OpenCV，否则的话，建议学MATLAB。这个阶段下，只要学会简单的调用函数即可，暂时不用深究实现的细节。推荐《冈萨雷斯数字图像处理MATLAB版》中文版(第二版) ，

3、图像处理的基础理论

这部分的理论是需要高数、复变、线性代数、信号与系统、数字信号处理等基础，基础不好的话，建议先补补基础再来。看不懂的理论也可以暂时先放下，或许学到后面就自然而然地开窍了。推荐《数字图像处理》。

4、基于FPGA的图像处理

把前面学到的理论运用到FPGA上面，如果这时你有前面第七个阶段的水平，你将轻松地独立完成图像算法设计（图像处理是离不开接口的，上面第五个阶段有讲）。推荐《基于FPGA的嵌入式图像处理系统设计》、《基于FPGA的数字图像处理原理及应用》。

5、进一步钻研数学。要在算法上更上一层，必然需要更多的数学，所以这里建议学习实分析、泛涵分析、小波分析等。

下面这两个阶段是给感兴趣的朋友介绍的。

九、数电的尽头是模电

现在FPGA内部的事情是难不到你的，但是信号出了FPGA，你就没法控制了。这个时候必须学好模电。比如：电路分析、模拟电子技术、高频电子线路、PCB设计、EMC、SI、PI 等。

十、软件方向

能到这个境界，说明你已经很厉害了，但是还有很多东西要学的，因为 FPGA 常常要跟 CPU 交互，也就是说你得经常跟软件工程师交流，所以也得懂点软件方面的知识。比如 ARM，（在Xilinx 的ZYNQ和 Intel Altera 的SOC里，会用到ARM的硬核）、DSP、Linux、上位机都可以学一下。

下面这两个阶段是给感兴趣的朋友介绍的。

九、数电的尽头是模电

十、软件方向

作为一名硬件工程师，综合能力是很重要的，天下之大，无奇不有，学无止境，学习脚步不能停，这位大侠，看你筋骨奇特，能练就FPGA之才，送你两幅学习宝典指南图，可以参考参考，哈哈哈。

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