第36章 第一个FPGA程序（1/2）

电子实验室的筹建在艰难中推进，设备依旧简陋，人手依旧短缺。那台拼装的486计算机承担了几乎所有的设计、编程和仿真任务，运行稍大一点的程序就会发出不堪重负的嗡鸣。但陈北玄带领着小张和小李，就在这有限的条件下，向着数字逻辑设计的核心领域发起了冲击——他们瞄准了FpGA。

在九十年代初，FpGA（现场可编程门阵列）技术在国际上也是方兴未艾，它允许工程师通过编程来定义芯片内部的逻辑功能，具有极大的灵活性和并行处理能力，非常适合用于原型验证和特定功能的加速。但在国内，尤其是军工领域，了解并能够应用此项技术的人凤毛麟角。

陈北玄通过一些特殊的渠道（借助了林雪那条线的关系），费尽周折，才弄来了几片Altera公司最早期的FpGA芯片——Ep5064，以及一套极其简陋的下载线和开发软件（Ax+pLUS II基础版）。这些东西在后来看来原始得可笑，但在当时，却是通往硬件可编程世界大门的钥匙。

没有现成的教材，没有可以参考的案例。陈北玄只能依靠自己前世深厚的集成电路知识，从最基础的数字逻辑讲起，带领小张和小李，一步步摸索。

“忘掉你们之前用分离元器件搭逻辑电路的方式。”陈北玄在白板上画着FpGA内部基本逻辑单元（LE）的结构图，“在FpGA里，你们面对的不再是具体的与非门、或非门，而是可配置的逻辑模块、连线和存储单元。你们需要用硬件描述语言，去‘描述’出你们想要实现的电路功能。”

他引入了VhdL语言。从实体（Entity）、结构体（Architecture）的基本结构讲起，到信号（Signal）、变量（Variable）的区别，再到进程（process）和并发语句。小张和小李听得云里雾水，这完全颠覆了他们之前用汇编语言顺序执行程序的思维模式。

“陈工，这……这感觉像是在用写软件的方式，去设计硬件？”小张挠着头，一脸困惑。

“可以这么理解，但思维模式是并发的，硬件的思维。”陈北玄耐心解释，“你们要时刻想着，这些语句描述的逻辑，是在芯片内部同时发生的。”

学习过程充满了挫折。第一个目标是实现一个简单的4位二进制计数器。在纸上用逻辑门画出来很简单，但用VhdL描述时，却遇到了各种问题：时序不满足导致仿真失败、信号赋值冲突产生锁存器、甚至因为语法错误导致综合（将代码转换为电路网表）都无法通过。

实验室的灯光常常亮到深夜。三个人围在计算机前，盯着屏幕上滚动的错误信息，一遍遍地修改代码，运行仿真，查看生成的RtL（寄存器传输级）电路图，分析时序报告。失败了，就讨论原因；成功了，哪怕只是仿真波形图上出现了正确的计数序列，都会带来一阵短暂的欢呼。

经过近两周的反复尝试和修改，他们终于完成了第一个能够在仿真中正确运行的4位计数器VhdL代码。

接下来是综合、布局布线和生成下载文件。这个过程同样不顺利，古老的软件经常因为资源不足而崩溃，或者给出不合理的布局方案导致时序无法闭合。陈北玄不得不手动添加时序约束，指导布局布线工具进行优化。

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