一名本科生对于 FPGA 问题求教

[Schwinger777]

我个人本科有门计算机组成原理与接口技术学起来感觉特别吃力，该课程是关于 mips 指令，然后实验是做 FPGA 板的实验，应该用的是 nexys4 开发版。我想请教一下各位这门课到底该如何入门，我听学校老师的课，感觉有点听不懂。我感觉记忆量很大，很多东西我不是很理解，感觉是死记硬背。还有就是做题涉及到 mips 指令和 c 语言指令相互转换的题目，以及就是 FPGA 做中断和 AXI 总线一些实验在 vivado 上做一些实验，这些我都感觉脑海一片空白。希望各位能够推荐一些好上手的资料。感谢。

[duke807]

我表示，这些专业知识靠上课就完蛋了，除非你不在国内

建议找海外教材自学

fpga 建议在 linux 系统下开发，因为厂商 eda 都是原生 linux 版本，之后 porting 到 win 系统
而且未来涉及到 asic 芯片开发，主流 eda 都是 linux only

语言建议用 verilog ，不要用 vhdl
仿真建议用 cocotb ，用 python 写 tb 更高效方便，波形用 gtkwave 查看

[Mithril]

你要搞明白一件事，这课不是让你去学 FPGA 的，而是让你通过 FPGA 和实验，去了解“计算机组成原理”的。

简而言之，就是你自己用 FPGA 上模拟一个简单的 CPU 核，去尝试和了解指令是如何执行的，中断是如何处理的等等内容。你去找一堆 FPGA 教程，学各种开发相关的内容其实是本末倒置了。

对于 FPGA 开发方面，你只要知道怎么编写烧录程序，怎么调试（甚至这个都不必要，学会怎么用 LED 就行，等你项目复杂靠灯搞不定了，自然就想办法去学了），以及基本的 Verilog 或者 VHDL 的语法功能就行了。

如果你自己实在弄不明白，可以找老师要一份写好的项目，最简单的能跑就行。在此基础上随便改改，逐渐习惯了整个流程，再上手写自己的。

这个课程可以算本科课程里面最重要的之一了。通过它你可以明白，用于支撑你开发的这些代码运行的电路基础到底是什么样的。哪怕你以后只做高级语言开发，这些也能帮你写出更高性能的代码，更容易地学习靠近底层的技术。非常值得你花大量精力去学好它。

[leoleoasd]

我的 verilog mips 核（只做了学校要求的十几条简单指令，非常少）：
https://github.com/leoleoasd/mips_cpu
logisim mips：
https://github.com/leoleoasd/mips-cpu-logisim
可以参考

[leoleoasd]

mips 指令和 c 语言指令如果不熟悉，可以找汇编语言资料。不同的架构的汇编（ mips/arm/riscv/amd64 ）都是相通的，学明白一个其他的就自然懂了

以及，非常推荐『深入理解计算机系统』（ Computer System: A Programmer's Perspective ）这本书，适合汇编和计算机组成原理课程的入门。

[Schwinger777]

@duke807 感谢您的指点。

[Schwinger777]

@Mithril 感谢您的指点，我会好好体会计算机组成原理。我可以买 nexys4 开发版照着官方给的指导手册慢慢来研究吗？

[Schwinger777]

@leoleoasd 多谢大佬的指点

[leoleoasd]

至于『推荐在 linux 系统下开发』、『推荐使用 verilog 而不是 VHDL 』这类建议，一定要提前问老师是否可以。比如，我们学校的机组课程不能用 VHDL ，我们也必须用一个只有 windows 版的很旧的 eda （板子很旧，新的 eda 不支持）

[Schwinger777]

@leoleoasd 我会找老师咨询的，我不知道是不是我学习方法有问题，在 mips 指令和 c 语言互相转化的时候，短一点的代码和汇编我都能做出来，但是一到比较长的代码，或者涉及递归迭代，我做这种问题，就会脑袋一片空白。然后考试做中断设计的综合题目，也是很难下笔，这种情况是不是我实验理解不够，做的太少？我看书上那些伪代码，短的可以看懂，但是一旦代码很长，我就感觉很难看下去，对于一些细节感觉就是看不懂。

[leoleoasd]

我理解，长的代码和短的代码也没本质区别？比如 c 翻译成汇编的时候，第一步，给所有变量分配一个地址（栈上或者堆上或者寄存器），然后一行一行对照着翻译。翻译的时候，只管当前的一行，不管上下文。最后再整体看看有没有可以优化的（比如复用寄存器、复用运算结果等）就完了，这样 拆开看，短的程序和长的程序也没本质区别？可能就是熟练程度的问题？
我当时是，大一看了深入理解计算机系统那本书（也没看完，就只看了前几章，到 jvm 那里就没继续看），就有了一个初步的理解，然后再上计组课和汇编课就没啥难度了

[leoleoasd]

中断设计，我做的不多。我一般是先用 c 和伪代码整体想好怎么写，再一点一点翻译成汇编。直接写汇编确实很难。

[Mithril]

@Schwinger777 自己买肯定是可以的，但感觉没什么必要，直接用学校的就行了。只要不是上课时间值班老师一般是不会拦着你的，毕竟他们也知道实验课就是为了让你刷经验的。

而且有的时候学校的不一定和你买的一样，有的是自己统一做过修改，有的是版本特别老，你自己买个不一定能对的上。而且它本身也不便宜，反正你都交了学费了，玩坏几块板子也算回本了:)

另外你说的短一点的能写出来，长的写不出来。个人认为主要还是经验问题，多写多练就行了。你本身开发经验就不是很多的时候，去学这做这些编译器的工作自然比较困难。

你可以用个正常的编译器生成汇编，然后你再用你写的对比一下。主要是看看编译器在结构上是怎么处理你的代码的。不懂怎么装交叉编译工具的话，可以试试这个 https://godbolt.org/ 主要注意的是转换的思路，不要在意具体细节，毕竟不同编译器有不同的处理逻辑，指令集也不一定完全一致。

[rudder2021]

我最近在看的一本书，好像叫《 Computer Architecture Tutorial Using an FPGA 》，书中基本上是手把手地教你怎么用 Verilog 实现一个简单的 ARM CPU ，不过书中用的是 Intel 的 FPGA 。有兴趣可以看看。
中文书的话，我觉得比较好的入门资料：
1. 《计算机组成 结构化方法》，从底层的数字电路一步步往上搭建体系结构
2. 《数字设计和计算机体系结构》，里面包含了 SystemVerilog 、VHDL 的入门内容
如果需要了解更高级的内容，可以找一些数字 IC 和 VLSI 设计的书来看

[levelworm]

实在不行先看看这两门课程，第一门是 nand2tetris ，仅看硬件部分即可；第二门是 edx 上面的 RISC-V softcore ，都挺适合入门的，后者可以用类 verilog 语言。

[qi1070445109]

@Schwinger777 这不是编译器做的吗？可以编译出来看看