fpga实操训练（从模块到系统开发）

嵌入式-老费

已于 2023-01-01 22:40:15 修改

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前面我们学习了fpga的一些基本操作，熟悉了这些操作，基本上说fpga已经入门了。但是距离我们用fpga开发产品，这中间还有一些距离。这就好比，掌握了c语言的语法后，还不能立马来开发软件，还需要掌握数据库编程、qt编程、网络编程、多线程编程、文件读写、内存分配等等，如果涉及到业务层面，还有必要了解客户的作业流程，这样才能开发出符合客户需要的软件。fpga的学习过程也是一样，掌握了led、key、uart、数码管、pwm，以及熟悉了fpga rom、ram、fifo、lpm_mult、signal tap配置，加上状态机设计，这些都只是为后面的系统开发打下了基础。在这些工作的基础之上，还需要进一步的学习协议、算法和流程。个人建议，不妨从这几个地方入手，

1、掌握好通用的协议

目前通用的协议主要就是uart、spi、iic。外接的芯片、模块，一般都是根据这几个协议开发的。就拿spi来说，常用的就有flash、sd、时钟芯片、ad、da芯片。iic也很多，比如camera、eeprom、lcd屏等等。uart的话，调试、模块通信都有涉及。

也许有同学会说，需不需要学习ddr sdram。个人的体会，如果是ddr2，那么可以自己编写试试，从某金、某原子、某火那里学习fpga操作ddr2的方法，这是完全可以的。但是如果是ddr3、ddr4，自己只是拿来用，那么基本掌握好接口就可以了。因为对于很多fpga来说，比如xilinx，上面的ddr4、ddr3完全就是用Vivado MIG（memory interface generator）生成的，并不需要自己写verilog代码。

上面这些协议只是基础，本身并不复杂，大家不要有畏难情绪。一遍不行，那就两遍；两遍不行，那就三遍，总能学会的。以spi为例，它的信号一般就4个，分别是cs、clk、din、dout。cs是片选，clk是时钟，din是数据输入，dout是数据输出。四个信号里面，最重要的又是clk，

CPOL主要是描述空闲状态，clk信号是低电平，还是高电平。CPHA则表示，采样数据发生在第一个时钟跳变的时刻，还是第二个时钟跳变的时刻。所谓采样数据，表示的是接收数据的一方什么时候拿到这个数据。因此，作为数据的发送方来说，那就只能在采样的下一个时钟跳变的时候切换数据了。

2、学会读芯片手册（算法设计过程也类似）

协议和芯片的关系，有点类似于arm和soc的关系。不同厂家用arm做出来的soc是完全不一样的。而fpga要想实现自己的功能，就有必要和其他的芯片进行通信、交互。那怎么通信、频率多少、数据协议是什么，这就要求我们学会看芯片手册了。对于厂家来说，它的芯片会被用在很多的场合，厂家自己也不知道这个芯片会和谁连接，所以它只能把机械封装、引脚、电气、协议、最大频率、信号约束这些信息原原本本告诉开发者，这也是开发者debug的重要参考依据。以M25P16这颗16Mbit的spi norflash来说，它的官方文档就提供了大量的有效信息，我们挑几个做说明，

这段内容告诉我们这些信息，1）芯片16M bit；2）每一页有256 byte，一般1.4ms写一页，3）支持sector擦除，一个sector512k bit；4）支持16M bit擦除；5）支持2.7v到3.6v的电压输入；6）兼容SPI接口；7）最大时钟50M；8）支持深度省电模式，只需要1uA；9）支持电子签名；10）每个sector支持超过10万次擦除、编程；11）数据保存超过20年。

芯片逻辑图如上所示，VCC是电压+，Vss是地，D是数据输入，Q是数据输出，C是时钟，S是片选，W是写保护，HOLD是保持信号。

上面这张图表明芯片完全兼容SPI，支持CPOL=0，CPHA=0和CPOL=1，CPHA=1这两种模式。通常CPOL=0，CPHA=0写起来简单一些，可以写好spi之后，就可以做一些基本动作了。

表格中表示了芯片支持的命令，从上到下是写使能、写关闭、读取ID、读取状态寄存器、写状态寄存器、读取数据、快速读取数据、页编程、sector擦除、芯片擦除、深度省电、省电恢复，总共12条命令。因为flash只能从1写到0，如果从0写到1的话，就需要对sector或者整个芯片erase，这是需要注意的地方。

除了命令和协议之外，另外一个重要的就是时序。红框中就是这颗芯片比较重要的几个时序部分，读数据命令之外的其他命令最大不能超过50M，读数据命令不能超过20M，clock为high的时间不能低于9ns，clock为low的时间不能低于9ns。从clock的这个时间限制也说明了，频率不能超过1s/（9ns+9ns）=55M这个频率，和上面说的50M差不多。

一般来说，芯片之间的传输慢点没事，但是影响效率。关键是大家都想要快一点，但是不同芯片有自己的最大频率限制，这部分需要注意下。

3、查看和掌握电路原理图

学习了协议和芯片之后，最好再掌握一下原理图，也就是电路原理图。一来加深下印象；二来将来如果功能不正确，也知道元器件在哪，怎么去测试和度量。下面这幅图就是spi norflash的原理图，

4、编写代码做仿真

有了协议、芯片手册（或者算法）、电路图，下面要做的就是编写verilog代码。编写的过程中可能会反复查看协议和芯片手册，这都是常有的事情。写好代码后，一定要做仿真，仿真不仅速度快，而且可以提前发现很多的设计问题，这比fpga调试快多了。等到所有的仿真都解决了，再上板子测试，这是效率比较高的办法。fpga综合的速度慢，而且调试起来费时费力，远没有仿真这样方便和简洁。

5、运用signal tap、示波器和逻辑分析仪进行调试

不同的fpga可以选用不同的debug工具调试。这个大家可以根据自己选用的eda工具，灵活进行配置。仿真一般信号都是比较理想的，但是真实的硬件可能会出各种各样的情况，供电、排线插反、信号质量、频率、干扰、电源，方方面面都会有牵制。这个时候就要学会运用signal tap、示波器、逻辑分析仪等各种方法进行调试和验证了。

6、将自己的代码和第三方代码进行比较

平时阅读别人的代码的时候可能没什么感觉，可能认为功能就应该这么写。等到自己真正实践的时候，才会发现自己和别人的差距。在调试自己代码的时候，如果实在没有办法了，尝试去比较一下自己的代码以及别人的代码，寻找不同之处，往往会有很多意外的收获。也只有这样，才能让自己不断成长和进步。

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