2024-06-01碼農

從零開始學習FPGA開發

FPGA（Field-Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）是一種能夠透過編程改變硬體結構的積體電路。與固定架構的硬體（如CPU和GPU）不同，FPGA提供了極高的靈活性，使其能夠高效地處理並列任務、自訂邏輯設計等。本文將指導初學者如何使用FPGA進行計畫開發，從理論基礎到實踐操作，希望能夠幫助你入門FPGA的奇妙世界。

一、FPGA基礎知識

1. FPGA工作原理

FPGA由數以萬計的可編程邏輯單元（Logic Blocks）組成，這些邏輯單元透過一套可編程的連線資源相互連線。使用者可以透過硬體描述語言（HDL），如Verilog或VHDL，編寫程式來定義這些邏輯單元和連線的配置，以實作特定的硬體功能。

2. FPGA與傳統微處理器的區別

與CPU或GPU等傳統處理器不同，FPGA不是順序處理它們的工作佇列。FPGA可以並列處理多個任務，這使得它們在處理大量數據時非常高效。此外，FPGA的可配置特性允許開發者建立適應特定套用需求的客製硬體邏輯，從而獲得更佳的效能。

3. FPGA的套用領域

FPGA廣泛套用於多個領域，包括但不限於：

• 訊號處理 ：如雷達數據處理、影像處理等。

• 通訊領域 ：如無線基站和網路裝置的訊號編解碼。

• 工業控制 ：如機器視覺系統、自動化控制系統。

• 加密與安全 ：如加密演算法的硬體實作。

二、FPGA開發流程

FPGA的開發流程可以分為以下幾個步驟：

1. 需求分析

明確計畫的需求，分析所需實作的功能，評估FPGA資源的大致需求。

2. 設計與仿真

使用硬體描述語言（HDL）編寫設計程式碼。建立的程式碼通常需要透過仿真軟體進行預驗證，以確保邏輯正確無誤。

3. 綜合與布局布線

將HDL程式碼綜合成為FPGA的物理實作，這個過程包括將高級的邏輯描述轉化為可實作在FPGA硬體上的邏輯閘和尋找表（LUT）的對映。然後，進行布局布線（Place & Route），以確定每個邏輯單元的具體位置以及它們之間的連線方式。

4. 編程與偵錯

使用專用的硬體工具將生成的配置檔下載至FPGA芯片，觀察實際執行狀態，必要時返回上一步進行修改和最佳化。

三、FPGA開發工具與資源

對於FPGA新手來說，選擇合適的開發工具至關重要。市場上流行的FPGA開發工具包括：

• Xilinx Vivado ：適用於Xilinx FPGA的開發。提供圖形化界面和命令列工具，支持從設計、仿真到綜合布局的全流程。

• Intel Quartus Prime ：支持Intel（原Altera）FPGA，整合了設計、仿真、綜合等功能。

入門FPGA開發，也需要了解一些基礎的硬體描述語言。Verilog和VHDL是兩種最常用的HDL，它們都具有強大的表達能力，可以描述復雜的硬體邏輯。

Verilog 範例

假設我們要實作一個簡單的二進制加法器。以下是使用Verilog描述的範例程式碼：

moduleadder( input [3:0] a, // 4-bit input a input [3:0] b, // 4-bit input b output [4:0] sum // 5-bit output sum);assign sum = a + b; // Perform additionendmodule

這段程式碼定義了一個模組 adder ，它接受兩個4位元的輸入 a 和 b ，輸出它們的5位和 sum 。這是一個非常簡單的Verilog模組，展示了如何使用Verilog進行基礎的硬體設計。

四、實戰計畫：LED閃爍

接下來，讓我們透過一個簡單的計畫，LED閃爍，來實際操作一下。這個計畫將會使用Verilog語言編寫，目標是使FPGA板上的LED燈按照一定頻率閃爍。

步驟1：設計

首先，我們需要設計一個計數器，當計數器達到一定值時翻轉LED的狀態。

步驟2：編寫Verilog程式碼

moduleled_blinker( input clk, // Clock input output reg led // LED output);reg [23:0] counter = 0; // Define a 24-bit counteralways @(posedge clk) begin counter <= counter + 1; // Increment counter on every clock riseif (counter == 24'hFFFFFF) begin led <= ~led; // Invert LED state when counter is full counter <= 0; // Reset counter endendendmodule