第二篇-FPGA学习之RoadMap

Posted 2020-10-15 lobster1989

古语云：知己知彼，百战不殆。那么既然选择了FPGA之路，欲练此功，必先……

必先了解清楚，FPGA的特点，FPGA善于/不善于解决什么类型问题，以及FPGA应用的方向，FPGA学习的要素等等。

一、FPGA的特点

理论上，通用MCU/CPU和数字ASIC能够做的事，FPGA都能做，甚至可以利用FPGA内部资源实现一个CPU，也即是通常所说“软核”。但这几个既然能够共存，实际上都有各自适合和不适合的领域。CPU/MCU为通用任务设计，能够胜任大量常规的控制、计算任务，但是对一些特殊的任务，比如高速信号处理、大规模并行计算却是无能为力，这也是为什么机器学习基本要靠GPU或者FPGA。ASIC为特定应用设计，性能和功耗都非FPGA能及，但是功能固定，流片费用极高，通常用于非常大批量的场合。和CPU大哥相比，FPGA的特点是，可以利用并行实现更高速的计算和更大的吞吐量，也可以利用其灵活性作为CPU的协处理单元或扩展接口。和二哥ASIC相比，FPGA的优点主要是其灵活性极高，重复编程，在批量不够大或需重复修改的场合较ASIC更为优势。

当然FPGA也有其相应的缺点以及不适合的工作。和MCU比价格相对高，和ASIC相比速度和功耗都望尘莫及（ASIC作为专用电路比通用电路更加高效）。另外FPGA不适合 1-大量顺序控制，2-大量存储要求的场合，这类工作通用MCU更为擅长也更经济。

二、FPGA应用领域

一些传统行业，比如电力、能源、医疗，有不少FPGA的需求，这主要是得益于FPGA灵活的特点。这些领域的设备通常 1-设备大，价格高昂（成本相对不敏感），2- 批量无法巨大（不适合定制ASIC），3-设备更新升级较快。这几个特点决定了需要FPGA来实现粘合、接口扩展、通讯实现的需求，也会包括一些较高速的数据采集处理的应用。当然反过来说，这些通常不是重型应用，通常是作为CPU或DSP的扩展和辅助，用到的FPGA基本是中低端型号。

另一个FPGA广泛应用的领域是ASIC的验证。由于行业不同了解不深，仅从外行人的初步了解来看，这个领域 1-用到FPGA通常是逻辑量非常大的型号，2-因为不会产品化只是作为设计验证工具，批量不会大。

相对上述两个行业领域，无线通信行业中FPGA的使用相对更为广泛。这主要因为FPGA的并行架构能够满足其高速信号处理的需求。

仅仅从这些传统领域来看，FPGA的市场大小远不如CPU和ASIC这两位大哥，但目前高速发展的一些新兴领域给了FPGA新的机会，比如工业以太网、机器视觉、机器学习的兴起和实用化。一个典型的方向是机器视觉，图像和视频的底层处理本身需要及其庞大的重复性运算，如使用CPU会大大受制于内存读取瓶颈的限制。而这恰恰是FPGA作为硬件计算本身擅长的工作。相信随着越来越多需要高速信号处理、并行计算的新兴技术领域的日渐步入实用化阶段，FPGA会有更大的用武之地。

三、FPGA学习路线

前面这些算是对FPGA本身的介绍，下面这些就是FPGA学习路线方面的干货了。趁机会对目前我所了解的内容作个总结，也作为今后在FPGA之路上前进的路标参照。

FPGA的学习基础是语言和各种工具的掌握，另外还需要最FPGA的架构和资源有必要的认识。亚稳态、跨时钟域问题个人感觉是验证一个人是否入门FPGA的试金石，也是能够开发FPGA的一个必要前提。其它的比如硬件思想、速度-面积互换这些需要不断在实际中运用体会。

但做这么久FPGA，我的观点是FPGA的难点，全在FPGA之外。使用FPGA本身不难，难的是能够用FPGA做什么事。比如做通讯接口扩展要求对常用的并行/串行通讯时序有深入理解，做高速信号采集则要求对ADC、硬件、信号完整性这些方面都有认识，做图像处理、机器视觉这些更是要求对这些专业领域有比较深的建树 ----可见，FPGA学习本部仅仅是学习FPGA本身，作为一种工具，其能够实现多大的价值更要看对专业领域的认识。

当然了，每个方向都是一个深坑，甚至是一个独立的专业，人生苦短，往往在其中一个方向有很深的建树就已经了不起了。

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