FPGA的硬體設計思維

來自專欄 FPGA設計

上節講到軟體編程的順序思維，為什麼這種思維模式很難滿足FPGA設計呢？我們從FPGA的名詞解釋著手去看這個問題。FPGA,即現場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。

請注意「器件」這個詞。在第2小節裡面我們講到過，一個D觸發器，就是一個完成某項功能的電路，我們可以把它看作是一個晶元。

這就是一個由a、b、clk、rst-n幾個引腳組成的晶元，這個晶元即實現D觸發器的功能。下面是對應代碼

再來看另外一個晶元及其對應代碼：

下面我們從代碼角度去看晶元：

這組代碼我們就可以把它看做是兩個晶元。每個always對應一個。比如一個FPGA中有a、b、c、d、e、f、g等多個信號，我們可以把它理解為每一個都是有獨立輸出的晶元，示意圖和與之分別對應的代碼如下：

現在我們確定abcdefg這些晶元的功能之後，再把它們連線在一起，下載到開發板上，通電後按照設定功能運作。這就是FPGA的基本運作原理。由此我們可以看出，FPGA就是由若干個類似晶元並列組合而成，它們相互之間不一定產生順序因果關係。可以說，FPGA是描述實物，軟體編程是編寫過程。

為什麼軟體編程順序思維不適合FPGA設計呢？

在FPGA的運作過程中，有一步是連線。如上圖中f晶元與g晶元中的f管腳，名字相同的連接起來。那麼，如果出現兩個以上a晶元的情況呢？對於軟體來說不成問題，首先a=0,之後a=1，一直順序進行即可。但是在FPGA中，當兩個a連線之後，一個a=0，另外一個a=1，相互之間就出現了衝突。因此，在FPGA中，一個信號只能在一個always設計，否則就會出現衝突。

我們仍以上一小節中的計數器代碼為例，對比一下軟體思維與硬體思維的區別。

圖左是我們前面提到過的按照順序過程的軟體思維，現在我們再來看採取硬體思維模式的圖右。

1. 是否複位的情況？是。cnt=0；否，進入下一環節；

2. Cnt是否等於10？是。cnt=0；否，進入下一環節；

3. 排除上述情況後，cnt+1，結束。

很明顯，在圖右中採取的是對硬體功能進行「描述」，將各種不同情況分別列出。信號根據不同條件執行所對應的命令，且同時只會執行其中一種命令。

現在我們來回顧一下本節要點。FPGA正確的思維模式是硬體設計思維，通過下面四步來完成項目。

1. 一個信號就是一個元器件；

2. 一個always對應一個信號；

3. 逐個定義（描述）每個信號（元器件）功能；

4. 將定義好的信號連接起來。

下一節，要講的是《知識點的二八定律》。