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fpga工程师基础知识FPGA工程师基础知识FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性和可重构性，被广泛应用于数字电路设计和开发中。
作为一名FPGA工程师，掌握基础知识是至关重要的。
本文将介绍FPGA工程师所需的基础知识，包括FPGA的概念、工作原理、开发流程以及相关工具和技术。
一、FPGA的概念FPGA是一种可编程逻辑器件，它由一系列可编程逻辑门、存储单元和输入/输出接口组成。
与传统的固定逻辑电路不同，FPGA可以根据用户的需求进行编程，实现各种功能和逻辑运算。
FPGA的灵活性使其成为数字电路设计和开发中的重要工具。
二、FPGA的工作原理FPGA的基本单元是可编程逻辑门，如与门、或门、非门等。
这些逻辑门可以通过编程连接起来，形成复杂的逻辑电路。
FPGA中的存储单元用于存储逻辑电路的状态和数据。
通过配置FPGA中的逻辑门和存储单元，可以实现所需的功能。
FPGA的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：1. 设计：首先，FPGA工程师需要使用HDL（硬件描述语言）如VHDL或Verilog来描述所需的逻辑电路。
设计包括逻辑电路的功能、输入输出接口和时序要求等。
2. 综合：设计完成后，需要使用综合工具将HDL代码转换为逻辑门级的表示。
综合工具将根据目标FPGA的特性和约束生成逻辑网表。
3. 布局与布线：在布局阶段，将逻辑网表映射到FPGA芯片的物理结构上。
在布线阶段，将逻辑网表中的逻辑门通过可编程连接资源连接起来。
4. 配置：配置是将设计好的逻辑电路下载到FPGA芯片上的过程。
FPGA芯片内部有一块非易失性存储器（通常是SRAM），用于存储逻辑电路的配置信息。
5. 运行：配置完成后，FPGA开始运行用户设计的逻辑电路。
FPGA 的输入和输出通过引脚与外部电路连接。
三、FPGA开发流程FPGA的开发流程通常包括以下几个步骤：1. 确定需求：明确所需的功能和性能要求。
FPGA学习步骤FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程的数字逻辑设备，具有强大的计算能力和灵活性。
学习FPGA涉及多个方面的知识和技能，以下是一个学习FPGA的步骤。
1.学习数字电路基础知识：学习数字逻辑、组合逻辑、时序逻辑、时钟域等基础知识。
了解逻辑门、多路选择器、编码器、解码器等基础组件的工作原理和常见应用。
2. 学习HDL语言：FPGA设计通常使用硬件描述语言（HDL）进行，如VHDL或Verilog。
学习HDL语言的基本语法、数据类型、运算符以及模块化设计方法。
掌握HDL语言的基本语法和常用语句，能够编写简单的模块。
同时，了解设计模块之间的连接和通信方式。
3. 熟悉开发工具：选择一款FPGA开发工具，如Xilinx ISE、Altera Quartus等，并熟悉其使用方法。
掌握工具的安装、项目的创建、仿真、烧写等基本操作。
了解工具中提供的IP核和库函数，以及如何使用这些资源来简化设计过程。
4.学习FPGA体系结构：了解FPGA的基本组成元件和工作原理，包括可编程逻辑单元（PLU）、片上存储器（BRAM）和片上时钟管理等。
熟悉FPGA的时序特性和时钟域设计方法，掌握时钟驱动设计的原则和技巧。
5.设计简单的数字逻辑电路：从简单的数字逻辑电路开始，如全加器、加法器、乘法器等。
通过HDL语言编写这些电路的设计和仿真测试，然后在FPGA上实现并验证电路功能。
通过不断实践，加深对数字逻辑电路设计和FPGA实现的理解。
6.学习FPGA高级应用：掌握FPGA高级应用的设计方法，如时序逻辑设计、状态机设计、数据通路设计等。
了解时分复用（TDM）、频分复用（FDM）、空分复用（SDM）等常用数据传输方式的原理。
学习高级FPGA设计技术，如流水线设计、多周期设计、并行设计等。
7.学习FPGA外设接口：了解FPGA的外设接口标准，如UART、SPI、I2C、PCIe等，以及各种外设的工作原理和接口电路设计。
fpga面试八股文面试中的FPGA八股文主要包括以下几个方面：1. FPGA基础知识：包括FPGA的工作原理、基本结构和主要应用领域等方面的知识。
例如，可编程逻辑数组（PLA）、时分多路复用（TDM）、硬件描述语言（HDL）等。
2. 数字逻辑设计：包括组合逻辑和时序逻辑设计的基本原理和方法。
例如，布尔代数、多路选择器、多级逻辑电路、触发器等。
3. 硬件描述语言（HDL）：包括Verilog和VHDL两种主要的HDL语言的知识。
例如，语法和语义规则、模块化设计、时序约束等。
4. FPGA开发流程：包括FPGA设计和开发的整个流程，从需求定义、系统设计、硬件描述到逻辑实现和验证等阶段。
例如，独立开发项目的经验或者通过参与团队合作项目来进行经验分享。
5. 常用的FPGA工具和开发环境：包括目前主流的FPGA开发工具（例如Xilinx Vivado、Altera Quartus II等）和开发环境（如Linux、Windows等）的使用和配置等。
6. FPGA性能优化和资源利用：包括通过合理的设计和优化来提高FPGA系统性能（如时钟分配、时序约束等）以及资源利用率（如逻辑综合和布局布线优化等）的方法和技巧。
7. RTL综合和布局布线：包括RTL综合和布局布线的原理和方法，以及常见的综合和布局布线工具的使用和调优等。
8. 对抗时序问题和FPGA时序收敛：包括了解并解决FPGA设计中的常见时序问题（如信号延迟、时钟约束冲突等），以及如何通过调整设计和时序约束来进行时序收敛的方法和技巧。
9. 嵌入式系统和SoC设计：包括了解FPGA与嵌入式系统和SoC设计的结合应用，例如使用FPGA作为嵌入式处理器的外围设备、嵌入式软件开发、FPGA与处理器之间的通信接口等。
以上就是一些常见的FPGA面试八股文题目和内容，希望对你有帮助。
如果需要更加详细的答案和解析，建议在准备面试时进行深入的学习和思考。
如何入门FPGAFPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，可以按需编程、配置和重构。
学习和掌握FPGA技术对于想要从事数字电路设计、嵌入式系统开发、通信系统设计等领域的人来说非常有价值。
以下是如何入门FPGA的步骤和建议。
1.学习数字电路基础知识：在学习FPGA之前，了解数字电路的基础知识将非常有帮助。
理解基本的逻辑门（与门、或门、非门等）和组合逻辑电路、时序逻辑电路的概念和工作原理。
可以通过读书、参加相关的课程或在线学习平台来学习这些基础知识。
2. 了解FPGA的工作原理：FPGA是由大量的可编程逻辑单元（Look-up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops，FFs）组成的。
学习FPGA的基本结构和原理，涉及到配置位文件（Configuration Bitstream）的生成和加载，以及时钟、信号输入输出等方面的知识。
4. 学习HDL编程语言：FPGA编程使用的主要是硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL），如VHDL（VHSIC Hardware Description Language）和Verilog。
选择其中一种HDL语言进行学习，并通过编写一些简单的逻辑电路代码来熟悉语法和使用方式。
6.实践项目：通过动手实践一些简单的项目，如实现基本的逻辑电路或时序电路，来巩固所学的知识。
可以在官方的开发工具中找到一些示例项目，并根据自己的兴趣和学习目标来选择适合自己的项目。
7.参加培训或课程：如果有条件的话，参加FPGA相关的培训或课程可以帮助深入理解FPGA的概念和应用。
有些在线学习平台也提供了一些免费或付费的FPGA课程，可以根据自己的需要选择适合自己的课程。
8.参考资料和社区支持：在学习FPGA的过程中，参考相关的书籍、教程、文档和网上资料很重要。
此外，加入FPGA相关的技术论坛或社区，与其他的FPGA爱好者和专业人士交流和分享经验，可以帮助解决问题和扩展自己的知识。
F PG A基础知识(总14页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除（一）查找表LUT和编程方式第一部分：查找表LUTFPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。
由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。
查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。
通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。
根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算，最多只可能存在2n种结果。
所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。
FPGA的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。
当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
下面给出一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理。
例1-1给出一个使用LUT实现4输入与门电路的真值表。
从中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。
实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。
第一章FPGA概述1、数字集成电路的发展数字集成电路由最初的电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路（VLSIC）发展到专用集成电路（ASIC），专用集成电路的出现降低了设计的成本、提高了可靠性、缩小了物理尺寸，但ASIC的设计周期长、改版投资大、灵活性差。
例如0.18um的芯片，如果集成的芯片超过100万门，其成本超过200万元人民币以上，其风险是显而易见的。
为了避免这种风险，就出现了可编程逻辑器件，包括现场可编程门阵列FPGA（Field Programmable Gate Array）器件和复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device），可编程逻辑器件能够在实验室中进行设计、更改、研制并马上投入使用。
和ASIC相比，PLD 的集成度更高，设计的个性化更浓，且具有可修改性，开发成本也较低。
FPGA由Xilinx公司在1985年首家推出，采用CMOS-SRAM工艺制作。
FPGA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块CLB（configurable Logic Block）、可编程I/O模块（I/O Block）和可编程内部连线，FPGA出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。
Xilinx、Altera和Actel等公司都提供高性能的FPGA芯片。
2、FPGA技术的发展现状及发展趋势FPGA在1985年由Xilinx公司首家推出至今已有近30年的历史，不过过去十多年时间内FPGA都未受到太多的重视，原因是FPGA的功耗用电、电路密度、频率效能、电路成本等都不如ASIC，在这十多年时间内，FPGA多半只用在一些特殊领域，例如芯片业者针对新产品测试市场反应，即便初期产品未达量产规模，也能先以FPGA制成产品测试。
或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目，在量产规模不足下也一样使用FPGA，或如政府、军方的特殊要求，不期望使用开放、标准性的芯片与电路，也会倾向使用FPGA。
1.何为FPGA？
FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA是Ross Freema于1985年发明的，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，当时他所创造的FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但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，因此它必将成为未来不可或缺的技术。
在短短的几年时间内，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。
但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，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，而门电路是由用二极管、三极管和电阻等元件构成的，然后与门、或门、非门又构成了各种触发器实现状态记忆。
FPGA同样也属于数字逻辑
电路的一种，也是由最基本的元件构成的。
一片FPGA可以在内部集成上亿个门电路，打破了以往使用数量繁多分立器件实现电子装置的历史，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。
一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外设组成的，而最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小单元，设计者只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现特定的功能。
一个LE是由触发器、LUT与控制逻辑组成的，从而同样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，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设，真正用单芯片方案完成系统设计，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的，然后由门电路构成最小的物理逻辑单元，然后再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，我们所需要控制的仅仅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。
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，基于SRAM工艺的FPGA最大的缺点是掉电数据会丢失无法保存，所以由FPGA构成的系统，外部还需要增加一个
配置芯片用于保存编程数据，在系统每次上电时都需要从配置芯片中将配置数据流加载到FPGA中，然后才能正常地运行，其优点是灵活性很强。
而基于Flash架构的FPGA在掉电后不会丢失数据，无需配置芯片，上电即可运行，其特点非常类似ASIC，但却比ASIC更加灵活可以重复编程。
由此可见如果用基于Flash架构的FPGA来取代ASIC 的话，不仅风险大大降低，而且成本也会大幅度地下降。
2. 为什么要学习FPGA？
FPGA从诞生以来经历了从配角到主角的转变，FPGA主要用于取代复杂的逻辑电路，现在重点强调平台概念，当集成数字信号处理器、嵌入式处理器、高速串行和其它高端技术后，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。
（1）广阔的发展前景
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)市将从2005年的32亿美元增长到67亿美元，未来还将有不断增长的趋势。
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。
由于用户可以迅速地对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、产品快速上市方面更具优势，所以未来FPGA将会是一个非常有前景的行业。
由于FPGA结构的特殊性，可以重复编程，开发周期较短，越来越受到人们的青睐，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势必将会取代大部分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集成一倍的晶体管数目，也就意味着每18至24个月后芯片成本将减半，但这只是指裸晶(Die)的成本，并不表示整个芯片的成本减半，这是由于晶圆制造前端的掩膜(Mask)成本、晶圆制造后端的封装(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制造，或是必须改用FPGA芯片来生产……
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“未完全开垦的处女地”，抓住
现在的机遇也就意味着为我们的将来提供更强大的竞争力。
（2）更多的就业机会
虽然FPGA市场的广阔，但是FPGA的技术人员却极度地缺乏，很多高校仍然未重视FPGA技术的教学，导致学生毕业后连什么是FPGA，什么是Verilog都不知道，失去了很多的就业机会。
广州周立功单片机发展有限公司三年来跑遍了全国22个城市，每次宣讲会场里场外都站满了人，每个学生都渴望寻找一份好工作的心情由此可见一斑，但通过考试发现懂FPGA和Verilog的学生却寥寥无几，尽管我们每年都对招聘FPGA人才寄予了很大的希望，但每次都失望而归，深深地体会到招聘FPGA开发工程师困难重重。
由此可见在应届毕业生中熟练掌握FPGA的学生已经属于稀缺资源了，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，这是打造个人差异化竞争力的大好机会，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”，一般来说这些员工的薪水都会比其它岗位高500元，这就是学习FPGA的就业优势，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，如果个人不具备一定的优势，必将淹没在人海茫茫的潮流中而找不到理想的工作，而学习FPGA则可以帮助学生多一技之长，大大提高就业的机会。
（3）更大的技术发展空间
我们知道半导体一直是国内比较薄弱的产业，与国外相比相差甚远，大部分IC都来自欧美地区，国内拥有自主知识产权的IC技术不多，多半需要引进国外先进的IC设计技术。
但是自2000年以来，中国大陆的IC设计企业如雨后春笋般迅速涌现，企业数量5年增加了4倍多，2005年已经达到500多家，销售收入过亿元人民币的设计企业达到17家，其中两家超过5亿元的销售规模。
概括地讲，中国的IC设计公司可以分为4类，第一类是国有IC设计公司，一般是承担政府研发任务的研究所转制后成立的；第二类是由系统厂商的设计部门独立出来的IC设计公司；第三类是民营IC设计公司，以海归型为主；最后一类是外资IC设计公司。
由此可见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的设计人员必须掌握FPGA的技术，在芯片流片之前都是通过FPGA来进行前期设计验证的，与FPGA使用同样的设计语言，只是在后端的设计中才用到IC设计方面的特定技术，而IC 设计人员必定是懂得FPGA设计的人，因此掌握FPGA技术是通往IC
设计殿堂的必经之路，学习FPGA有助于我们扩大的技术发展空间。
