1. 为什么FPGA是电子技术实验的核心？
2. FPGA实验的典型流程是怎样的？
3. 从入门到进阶，FPGA实验都包含哪些内容？
4. 需要哪些硬件和软件？
5. 一些经典的FPGA实验项目示例。

为什么FPGA是电子技术实验的核心？

传统的电子技术实验（如模拟电路、数字电路）通常依赖于面包板、导线、74系列逻辑芯片、示波器等，这种方式虽然能帮助理解基础原理,但存在以下痛点：

• 连线繁琐，易出错： 手工连线非常耗时,且一个错误可能导致整个实验失败。
• 功能固定，难以修改： 电路设计一旦搭建完成，修改功能就需要重新连线,灵活性极差。
• 难以实现复杂系统： 对于CPU、图像处理等复杂系统,用分立元件实现几乎是不可能的。

FPGA（现场可编程门阵列）的出现，完美地解决了这些问题，并带来了革命性的变化：

• 软硬件结合的“活”芯片： FPGA本身是一块“空”的硬件，其内部逻辑结构和连接方式完全由你通过代码（硬件描述语言，如Verilog/VHDL）来定义，你可以反复下载、修改、验证,就像给硬件编程一样。
• 并行处理能力： FPGA内部有大量的可编程逻辑单元和布线资源，可以实现真正的硬件并行，多个任务可以同时执行，这对于高速数据处理、图像识别等应用有天然优势。
• 高集成度与灵活性： 一片FPGA就能实现一个复杂的数字系统，从简单的逻辑门到完整的CPU（如Nios II, RISC-V），修改设计只需修改代码，重新编译下载即可,无需改动任何物理连接。
• 与现代产业接轨： FPGA是5G通信、人工智能加速、数据中心、航空航天等尖端领域的核心技术，掌握FPGA实验技能,意味着掌握了当前电子工程师的核心竞争力之一。

一句话总结：FPGA实验将传统的“搭面包板”的硬件验证方式，升级为了“写代码”的现代化数字系统设计方式。

FPGA实验的典型流程

一个完整的FPGA实验项目通常遵循以下步骤，这个过程也被称为“数字系统设计流程”：

1. 需求分析与方案设计：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 明确实验要实现什么功能？设计一个数字时钟、一个UART串口通信模块、一个简单的图像滤波器等。
   • 画出系统的顶层模块框图,规划好输入输出接口和内部功能模块的划分。

2. 代码编写：

   • 使用硬件描述语言（Verilog HDL 或 VHDL）来描述你的数字电路。
   • 编写代码时，要时刻牢记“硬件思维”，你写的每一行代码最终都会被综合成具体的逻辑门、触发器、连线等硬件结构,而不是像C语言那样顺序执行。
   • 通常采用自顶向下的设计方法，先写顶层模块,再逐个实现子模块。

3. 功能仿真：

   • 在将代码下载到FPGA芯片之前，必须进行仿真，这是最关键的一步,用于验证逻辑设计的正确性。
   • 使用仿真工具（如ModelSim, QuestaSim, Vivado Simulator）生成测试激励，观察仿真波形输出,检查电路的行为是否符合预期。
   • 如果仿真结果错误，就需要返回第2步，修改代码,直到仿真通过。

4. 综合：

   • 使用综合工具（如Vivado, Quartus Prime, Synplify Pro）将你的HDL代码“翻译”成由FPGA厂商提供的基本逻辑单元（如LUT, FF）组成的网表。
   • 综合工具还会进行优化,以尽可能少地占用FPGA资源。

5. 实现：

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 这是一个比综合更复杂的过程，包括：
     • 翻译： 将综合后的网表适配到FPGA的特定器件结构中。
     • 布局： 确定每个逻辑单元在FPGA芯片上的物理位置。
     • 布线： 在已确定的逻辑单元之间建立物理连接。
   • 实现工具会生成一个最终的、可以下载到FPGA的位流文件。

6. 下载与硬件验证：

   • 使用下载电缆（如JTAG）将PC与FPGA开发板连接起来。
   • 将位流文件下载到FPGA芯片中，FPGA内部的逻辑电路就被“烧写”好了,开始工作。
   • 通过开发板上的外设（如LED灯、七段数码管、按键、串口调试助手）来观察实际运行结果,验证是否与设计要求一致。
   • 如果硬件验证失败，需要回头检查所有步骤,特别是仿真环节是否充分。

从入门到进阶，FPGA实验内容

入门级实验 (验证基础概念)

1. FPGA开发环境熟悉：
   • 学习使用FPGA厂商的开发套件（如Xilinx的Vivado, Intel的Quartus Prime）。
   • 完成第一个工程：点亮一个LED灯（Hello, World!）。
2. 组合逻辑电路实验：
   • 3-8译码器、8-3编码器： 理解地址译码和状态编码。
   • 数据选择器/多路复用器： 学习如何从多路数据中选择一路输出。
   • 比较器： 实现两个数的大小比较。
3. 时序逻辑电路实验：
   • D触发器： 掌握最基本的时序单元，学习同步复位、异步复位。
   • 寄存器： 由多个D触发器构成,用于存储多位数据。
   • 计数器： 实现模N计数器（如60进制、100进制），学习同步/异步清零、置数。
   • 移位寄存器： 实现数据的左移、右移、循环移位。

进阶级实验 (构建小型系统)

1. 有限状态机：
   • Moore型/Mealy型FSM： 这是数字设计的核心，用于实现复杂的控制逻辑，交通灯控制器、序列检测器、串行通信协议解析器。
2. 分频器与消抖：
   • 分频器： 将FPGA板载的高频时钟（如50MHz, 100MHz）分频为所需的低频时钟,用于驱动数码管显示等。
   • 按键消抖： 按键和机械开关在按下和释放时会产生抖动，必须用FSM或延时方法进行消抖,才能得到稳定可靠的信号。
3. 数码管动态扫描显示：

   学习利用人眼的视觉暂留效应，用少量I/O口驱动多位数码管，这是一个非常经典的综合性实验,考验时序控制和资源管理能力。

4. 按键控制LED流水灯：

   结合按键消抖、计数器、LED控制,实现一个可交互的小系统。

高级/项目级实验 (接近实际应用)

1. UART串口通信：

   实现一个UART收发器，使FPGA能够与PC通过串口助手进行数据通信,这是嵌入式系统中最重要的外设之一。

2. I2C/SPI通信协议：

   实现I2C或SPI主机/从机协议，用于与各种传感器（如温湿度传感器、陀螺仪）、存储芯片（EEPROM, Flash）等外设通信。

3. VGA显示驱动：

   学习VGA时序标准，在显示器上显示彩色图像、字符或简单的图形界面，这能让你深入理解像素时钟、行场同步等概念。

4. CPU核实现：

   在FPGA中实现一个简单的RISC-V或Nios II CPU软核，并为其搭建一个最小系统，连接RAM和ROM，运行简单的汇编程序，这是迈向SoC（System on Chip）设计的关键一步。

5. 数字信号处理：
   • 实现FIR/IIR滤波器,对采集到的音频信号或正弦波进行实时滤波处理。
   • 实现FFT（快速傅里叶变换）,对信号进行频谱分析。

需要哪些硬件和软件？

硬件：

1. FPGA开发板： 这是核心设备。

   • 推荐型号（入门）：
     • Xilinx (AMD) 系列： Basys 3 (Artix-7), Nexys 4 DDR (Spartan-6/Artix-7)，资料丰富,社区活跃。
     • Intel (Altera) 系列： DE10-Lite (Cyclone 10 LP)，包含ARM处理器和丰富的外设,性价比高。
     • 国产系列： 野火、正点原子 等国产厂商的开发板，配套教程非常详细,对初学者极其友好。
   • 关键特性： 确保有板载时钟、LED灯、按键、数码管、串口（UART）,以及用于扩展的GPIO接口。

2. 下载/调试电缆：

   • USB Blaster (JTAG)： 用于下载程序和在线调试,大部分开发板都自带或通过USB转接。

3. 可选外设：

   • 面包板、杜邦线、LED、按键、电阻、电容等,用于扩展实验。
   • USB转串口模块： 用于PC与FPGA的UART通信。
   • VGA线、HDMI线： 用于显示实验。
   • 传感器模块： 如温湿度、陀螺仪模块,用于通信和综合项目。

软件：

1. EDA工具：

   • Xilinx Vivado： 用于Xilinx（AMD）FPGA，功能强大,界面友好。
   • Intel Quartus Prime： 用于Intel（Altera）FPGA,是行业主流工具之一。
   • 这两个工具都集成了综合、仿真、实现、下载等所有功能。

2. 仿真工具（可选）：

   • ModelSim/QuestaSim： 业界标准的仿真器，仿真速度快，功能强大，Vivado/Quartus Prime也自带了基础的仿真器。

3. 代码编辑器：

   • VS Code + 插件： 轻量级，插件丰富（如Verilog-HDL/SystemVerilog Support）。
   • Sublime Text / Notepad++： 简单快捷。
   • Vivado/Quartus Prime 自带编辑器： 功能足够,集成度高。

经典FPGA实验项目示例

总结与建议

• 从点亮LED开始： 不要怕简单,这是建立信心和熟悉开发环境的最佳方式。
• 仿真至关重要： 养成“先仿真，后下载”的好习惯，90%的逻辑错误都可以在仿真阶段被发现和解决,这能为你节省大量调试时间。
• 学会阅读官方文档和数据手册： FPGA芯片和开发板的官方文档是最好的老师。
• 多看开源项目： 在GitHub上搜索FPGA相关项目,学习别人的优秀设计和代码风格。
• 理论与实践结合： 在写代码之前，先用纸笔画出状态转移图、模块框图,理清思路。

FPGA实验是一个充满挑战和乐趣的过程，它将把你从一个电路的“使用者”转变为一个电路的“创造者”,祝你实验顺利！