導讀——不是每個人都能成為一代宗師，因為在一個時代宗師只有少數人，成不了宗師，可以選擇成為門派高手，立足武林的六合一之路無外乎秘密武器、江湖規矩、內功心法、武術動作、內功修煉及實戰經驗。修煉六脈神劍，成為高手，行走江湖，行俠仗義，斬奸除惡，開啟江湖人生！
0.引言——高手沒有天賦，只有初心、選擇、努力和毅力
圖1 工業視覺處理（圖片來源：自電子元件技術）
圖像處理是通過對圖像進行增強、復原、重建、分析及特征識別等處理以得到目標結果，在工業、消費電子、安防等領域具有廣泛的應用。FPAG支持實時流水線運算（跟工廠流水線作業一樣、不同的工序可以同時開展），具有高實時性特點（通過并行作業、可以在極短的時間內完成任務），是圖像處理應用的主要平臺，在一些高并發性、實時性要求較高的應用領域，只能通過FPGA實現。
FPGA圖像工程師的薪資水平普遍較高，但綜合能力要求極高，又是算法、又是編程，又是硬件，不是迫不得已或者興趣，很多人一開始就選擇放棄，實際入門真的是這樣子嗎？跟很多技術一樣，難不在技術本身，在學習的初心、態度、流程及方法，下面是本人基于多年的經驗整理FPGA圖像工程師晉級之路。
1.選武器——倚天QUARTUS、屠龍VIVADO，掌控優先
FPGA開發的工具平臺包括綜合編譯工具、仿真工具、代碼編寫工具及入門開發板，選好用好工具平臺不僅可以降低入門難度，還利于快速提升設計開發能力。工具平臺選擇以易于入門，便于熟練掌控，利于升級為基本原則，下面是有關工具平臺選擇、使用方法及相關資料的分享：
（1）選開發工具
①綜合編譯工具——優選QUARTUS，升級VIVADO
主流的FPGA廠商主要有：國際Intel、Xinlinx、Lattice等，國內的紫光同創、京微齊力、高云半導體等，每家廠商都有自己的開發工具，解決新建工程、仿真綜合，配置管腳、下載和在線調試等問題，功能大同小異，差異主要存在于操作習慣、性能及操作方法等方面。主流的開發工具主要有來自Intel的QUARTUS和Xilinx的ISE、VIVADO,其中ISE是XILINX較早開發的版本，適用中低端芯片的開發，VIVADO是XILINX近期推出的開發平臺，適用于XILINX的中高端芯片的開發（不支持低端芯片的開發）。
表1 QUARTUS與VIVADO比較
相比而言，QUARTUS無論是對資源的要求，還是使用簡單性都要優于VIVADO，但功能的齊全性低于VIVADO，綜合市面上Intel的FPGA開發板相對比較便宜，建議初學者先選擇QUARTUS入門學習，掌握熟悉之后，根據個人情況及開展具體項目的要求，再學習使用VIVADO。
備注——綜合編譯工具下載地址：
1) QUARTUS軟件安裝包，建議安裝18.1精簡版本的，不需要破解。
下載地址：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=429&extra=page%3D1
2) VIVADO軟件安裝包，建議安裝2018.2版本的，在XILINX官網可注冊LICENSE。
下載地址：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=435&highlight=vivado
②仿真工具——業界主流MODELSIM
QUARTUS與VIVADO都自帶仿真器，但是不好使用，目前業界基本都是使用MODELSIM作為FPGA仿真工具，基本是標配。
備注——仿真工具下載地址：
下載及安裝教程地址：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=430&extra=page%3D1
③代碼編寫工具——優選GVIM，可選NOTEPAD++
QUARTUS、VIVADO、MODELSIM都自帶有代碼編寫器，但交互性不好，強烈建議選用GVIM、NOTEPAD++等代碼編寫工具。
在Windows系統環境下，可以采用NOTEPAD++，特別是從軟件轉行過來，已經習慣NOTEPAD++使用的開發者。但如果想在IC設計、IC驗證或者FPGA上走得更遠，強烈建議選擇GVIM，一方面IC行業基本都在使用GVIM，另一方面來自于工具本身功能足夠強大，不僅支持常規的編輯、復制、刪除、查找、替換等功能，而且支持“命令行”輸入。
備注——Windows版本GVIM工具下載地址：
下載及安裝教程地址：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=431&extra=page%3D1
（2）開發工具使用
①VIVADO和QUARTUS使用方法
VIVADO和QUARTUS的功能，最常用的功能包括：新建工程、選好芯片型號、配置好管腳、綜合編譯和上板調試等功能。各個工具都是大同小異，但要注意學習FPGA不是學工具，而是學習如何設計、學習如何定位問題和解決問題。
備注——VIVADO和QUARTUS使用資料推薦：
VIVADO使用教程鏈接：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1023&extra=page%3D1
QUARTUS使用教程鏈接：
https://pan.baidu.com/s/1Zf-bjXF4v72tXx2NnEfCsw
提取碼：yknc
②Modelsim使用方法
掌握Modelsim工具的基本使用，主要包括：新建工程，添加文件，編譯，VSIM仿真及查看仿真波形等。
（3）選開發平臺
學習FPGA編程，開發板是標配平臺，市面上FPGA的開發板非常多：100~200元的入門級產品，500~1000元的進階產品，數千上萬元的高級產品。對于初學者可以選擇點撥FPGA之入門開發板、MP801、新起點FPGA開發板、AC620 FPGA開發板等。
2.掃規矩——Verilog江湖明規矩講武德，走馬觀花留印象
選好工具、開發板，接下來就是學習FPGA的編程語言——Verilog和VHDL，其中VHDL在教學科研中較為常見，實際的應用中基本都是以Verilog為主，風格與C語言類似，強烈建議學習Verilog。傳統的學習模式都是選一兩本教材反復研讀理解每一個語法的細節，翻了一遍沒感覺，再翻一遍，也沒記住多少，一兩個月下來還是不知道如何編寫。其實對于大多數初學者而言，這樣的學習模式是無效率的，因為短期內無法理清語法規則，如何使用。因此，強烈建議找一兩本經典教材，花兩三天時間走馬觀花過一遍，不需要追求掌握細節，有印象大概明白即可，使用的時候再回過頭來查，使用多了自然就會明白，這跟小孩走路一樣，一開始總是別扭，找到感覺了自然就靈活了。重點理解：
表2 重點理解Verilog知識點
推薦的書：
1) 夏老師的《verilog HDL數字系統設計教程》，這是一本經典的verilog書籍，已出版十幾年，一直很受歡迎；
2) 《FPGA至簡原理與應用》，該書還沒有出版，只有電子版，配套視頻講解幫助學習。
3.掌心法——FPGA軟硬心法核心在至簡，避免走火入魔
FPGA的設計
（1）FPGA軟硬件設計思維風格
FPGA需要編程實現，但實際是硬件設計，這與軟件設計有本質的區別：
① 軟件設計思維風格
圖2 軟件思維設計風格
軟件設計思維即指熟悉的C、C++、Java等軟件編程的思維，可以邊寫代碼，邊看處理看結果，風格如圖2所示。圖3是基于軟件設計思維實現Y=a+b*c+d/e計算的過程。
圖3 a+b*c+d/e的軟件設計思維實現過程
② 硬件設計思維風格
硬件設計思維與軟件設計思維有較大的區別，軟件設計思維只需要考慮邏輯，基本不用考慮時序的問題，但是硬件設計思維處理模塊功能，還需要考慮模塊之間的耦合時序問題，具體設計風格如圖4所示。圖5是基于硬件設計思維實現Y=a+b*c+d/e計算的過程。
圖4 硬件設計思維風格
圖5 a+b*c+d/e的硬件設計思維實現過程
相比成熟的軟件設計思維風格，硬件設計的思維風格被提及得不多，很多初學者尤其是有一定軟件基礎的碼農朋友，一時半會無法轉過彎，因此感覺到很難，那難在哪里？特別是在定位查找問題的時候
圖7 軟硬件設計思維查找問題的區別
就像圖7所示一樣，軟件是按順序執行，哪里有錯很容易找出出錯的地方；而FPGA只有在結果不對的時候，再回去找出問題的點，但那么多模塊，到底是哪個出錯了，是比較難定位的，這就是FPGA的難點之一。
（2）設計思維風格選擇——4大建議2個推薦
軟件設計思維和硬件設計的思維風格區別明顯，在選擇之前先通過表3了解兩種風格的優缺點。
表3 軟硬件設計思維風格優缺點
如何選擇合適的設計思維風格？建議兩種風格都學習，結合起來用，在學的過程中先易后難，對于硬件設計思維，碰到困難問題，先放下，重效果實現暫時忽略細節，等知識經驗積累豐富了，很多問題就會迎刃而解。具體6個建議如下：
1) 軟件入門，硬件進階：采用軟件設計思維入門，同時注意硬件設計思維的存在，當設計水平遇到瓶頸時，學習硬件設計思維；
2) 軟件硬件同步學習：兩種設計思維相互補充，互相促進；
3) 小項目軟件思維入門，大項目硬件升級：入門以后，隨著大項目工作或者學習的開展，強烈建議采用硬件設計思維，這是一個優秀FPGA工程師必須具備的基本素質，很多企業也會有類似的要求，比如華為要求“一個always只能設計一個信號”，其根本上就是要求工程師要用硬件的思維來設計。
4) 硬件設計思維避免牛角尖：學習硬件設計思維，一定要避免鉆牛角尖，切記不要以為是一定要想明白才去寫代碼、才去仿真驗證，想不明白或者不能通過查資料，討論等途徑解決，就無法開展工作。FPGA設計思維尤其是硬件設計思維只是一個過程，正常的學習動作是寫一點代碼仿真一下，在設計過程中理解，在理解中改動設計，這才是正途。
推薦學習資源：
1) 專業的、標準的硬件設計思維學習資源科選擇——《FPGA高手修煉》，該學習資源可以很好訓練FPGA代碼設計；
2) FPGA的模塊設計技巧，可參考《FPGA架構設計》。
（3）編譯出錯定位
使用開發工具過程經常會碰到很多問題，出來根據提示信息查找定位問題之外，也可以通過網絡尋找同類問題解決方案。
備注——QUARTUS問題【匯總貼】推薦
常見QUARTUS問題匯總網址：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=901；
（4）學會習仿真調試
仿真測試是FPGA工程師必須掌握的技能，FPGA工程師的基本工作狀態是一個循環胎，即設計——仿真——調試——設計，因此，需要掌握相關的仿真調試方法，邊設計邊仿真調試，不斷修正錯誤，直至完成設計目標。具體的要掌握的技能如下：
①測試文件的寫法
1) 熟悉測試文件的格式：明確一個測試文件的基本組成要素，如模塊名、信號定義、例化和產生測試激勵等。
2) 掌握時鐘和復位信號的產生方法：了解時鐘、復位等信號的產生；
3) 掌握信號激勵的產生方法：激勵怎么產生，就是用那個initial語句，延時xx時間，給就一個1，再延時xx時鐘，就給一個0。掌握這種基本的語法邏輯，在實際中基本夠用了，具體參考如圖8所示。
圖8 信號激勵產生示例
掌握以上測試文件的編寫方法，在實際中基本已經夠用了，相比而言更重要的是看仿真波形。
②MODELSIM編譯錯誤的處理方法
在MODELSIM編譯過程中，如果代碼有錯誤時，軟件會提示報錯，并且會提示哪一行出錯，例如圖3所示。
圖9 編譯報錯示意圖
圖9提示：在pkt_check_tb.v這個文件，第34行，信號“din”有錯誤，可以去34行查看問題，關于問題查看與定位梳理以下6點建議：
1) 務必查看錯誤提示，不管愿不愿意看英文，這是必須要掌握的基本技能；
2) 強烈建議少用翻譯軟件理解錯誤提示，依賴翻譯信息容易失去重點，在查找問題時，很多時候不需要全部理解，抓住關鍵詞即可。如圖3所示，文件名叫pkt_check_tb.v，是第34行，是信號din有錯，這些信息已經足夠了，然后根據提示打開pkt_check_tb.v文件，去34行，找到din信號，去看這代碼跟標準的代碼比，有哪些不同，就可以把問題查找出來；
3) 錯誤位置上下文也要看，在處理編譯錯誤時，不要只看提示錯誤的行，上下的行業好看。有時候上行的錯，會在下行中提示；
4) 不要害怕出現錯誤，在FPGA開發過程中，遇到錯誤時正常現象，而且很多時候，錯誤并沒有那么多，常見的錯誤基本都是：信號定義錯誤，例如reg信號定義成wire，wire信號定義成reg；信號位寬有錯，信號沒定義等等；
5) 可以借助網絡尋找解決問題的辦法：在學習、開發過程，經常會遇到很多問題，可以通過網絡尋找同類問題的解決辦法，比如MODELSIM/仿真問題帖子：www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=951；
④錯誤問題的定位方法
與軟件開發一樣，調試是FPGA開發最為耗時的一個環節，需要根據代碼和波形，找出邏輯的錯誤。但與時序軟件設計項目，FPGA的調試難度較大，不像軟件那樣支持但步調試，FPGA是一個并行硬件，所有模塊是一起工作。在實際的工作中，更考驗心態及心細程度，一般采用二分法樹藤摸瓜解決問題，比如一個工程分為ABCDE5部分，現在E的結果有問題，具體定位過程如下：
1) 先看C是否正確，如果正確，說明錯誤由DE導致，如果錯誤，說明錯誤由AB引起；
2) C正確：檢查D的結果，如果D正確，則錯誤由E產生，反之由D產生；
3) 如果C錯誤：檢查A的輸出，如果A正確，則錯誤由B產生，反之由A產生；
4) 就這樣一級一級排查，最終總會定位到問題所在點。
更多的FPGA問題定位技巧可參考：
http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=268
（5）在線調試
經過綜合編譯，下一步就是上板測試看效果。仿真通過不代表就是正確的，仿真只是模擬的仿真，僅說明“邏輯”正確，實際中還會有很多因素影響結果，比如管腳配置錯誤、硬件故障、信號干擾等問題。不同的開發工具都對應不同的在線調試工具，QUARTUS自帶的SIGNALTAP、ISE自帶的CHIPSCOPE，VIVADO本身的調試工具。在線調試工具與仿真工具類似，區別在于仿真通過電腦模擬，在線調試工具是抓取實際信號呈現結果。
備注1：在線工具具有局限性，只能看一小部分的信號以及有限的數據量，這意味著在線調試工具只能定位未知的小BUG，邏輯設計還是要靠仿真來保證。
備注2——SIGNALTAP的使用方法資源推薦：
Signaltap使用教程鏈接：
https://pan.baidu.com/s/1o6ti4Zr31mRw2qKYrMQQQg
提取碼：pj5s
4.仿動作——依葫蘆畫瓢入門案例，學基本動作要領
仿寫現成案例是最快速也是最簡單的學習方法，建議仿寫案例從簡單開始逐步過渡到，在仿寫的過程中逐步掌握Verilog語法、計數器、位寬擴展等復雜應用并熟悉工具使用。推薦的仿寫案例如下：
1) LED燈系列：1位閃爍燈、4位閃爍燈、PWM呼吸燈等；
2) 數碼管系列：數碼管動態掃描、秒表、數字時鐘等；
這些案例都可以通過互聯網搜索到，或者通過購買開發板獲得，具體的學習建議如下：
1) 抄寫練習混臉熟：抄寫一遍，以熟悉工具流程和熟悉語法為目的，并在抄寫過程中理解常用的編程語法；
2) 盲寫練習漲經驗：盲寫一遍，上板調試看結果，如有問題對比源碼定位問題，盲寫效果比抄寫效果要好，印象更加深刻；
3) 謹慎擴展練習有耐心：在語法、工具還不熟悉，設計思維還沒形成的情況下，不建議擴展功能，因為容易出錯，浪費時間還打擊信心。建議先仿寫、盲寫基本案例一個周期，通過對比學習中不斷提升基礎能力；
4) 謹慎開展設計有信心：很多初學者學一兩個星期就開始設計，以為已經具備FPGA設計能力，這是誤區。一般情況，FPGA和芯片設計工程師開始一兩年都是開展驗證的工作。優先的工程師都是建立在閱讀理解、仿寫及修改大量代碼的基礎上，才能逐步掌握設計能力。因此，開始設計不出來是正常的現象，沒必要灰心。
5) 結合工具積累技巧：在學習過程中，結合QUARTUS、VIVADO、MODELSIM等工具和開發平臺，不斷積累并掌握掌握仿真、定位問題等技巧。
5.習基礎——萬丈高樓平地起，基礎決觸達定高度
以上是FPGA知識，要進階成為FPGA圖像工程師，除了FPGA基礎知識之外，還需要掌握圖像的概念及圖像處理的方法，與FPGA學習一樣，一開始并不需要去深度研讀圖像處理的相關原理書籍，可以通過仿寫VGA顯示顏色、VGA顯示矩陣、VGA顯示圓、VGA顯示動畫和VGA顯示圖片等圖像基本實驗掌握圖像處理的基本概念：
1) 理解圖像時序：理解圖像傳輸的信號時序，例如行、場同步信號等；
2) 理解圖像格式：理解圖像的RGB888、RGB565、RAW12等數據格式；
3) 理解圖像顯示方法：理解一幅圖像是如何將像素數據傳到VGA、LED等顯示設備進行顯示的，是如何對齊的。理解這些，有助于實現畫中畫、圖像拼接、裁減等高級功能的實現；
4) 理解圖片動畫實現方法：動畫本質上是多幅圖像的滾動顯示，本質上也是圖像顯示。通過動畫的實現方法，可以實現更種游戲的實現；
5) 理解圖像存儲的處理法
6.練實戰——閉門造車、戰場上只能被KO
通過圖像基礎案例之后，可以開展一個具有代表性、完整性的FPGA圖像處理項目——FPGA圖像邊緣檢測，具體完成的內容包括：
1) 圖像采集——OV7670：具體的內容包括OV7670傳感器的配置、圖像采集；（選擇OV7670是因為該傳感器資料眾多，具有代表性，在掌握圖像采集之后，可通過舉一反三掌握AD、DA的配置方法，甚至可以延伸聯系LVDS、MIMP及HDMI等圖像視頻接口）；
2) 圖像處理：包括灰度轉換、圖像格式轉換、高斯濾波、SOBEL邊緣檢測算法（也可嘗試中值濾波、腐蝕等圖像處理算法）；
3) 圖像存儲：與嵌入式計算機不同，FPGA的存儲是一個難點，需要在硬件邏輯下考慮不同幀圖像的處理關系，需要注意時序及存儲容量的控制。
通過項目實踐，掌握圖像采集、圖像處理、圖像存儲及圖像顯示等常見圖像處理的功能，同時對圖像數據帶寬等概念有了深入的理解和認識，比如1080P、4K和8K等。
備注——FPGA圖像邊緣檢測實踐資料
http://www.fpgabbs.cn/thread-879-1-1.html
總結與后續——高手過招，每一個傷疤都是大牛的墊腳石
至此，一步一個腳印走完六步法，完成圖像邊沿檢測的項目，基本走完從小白到FPGA圖像工程師入門之路，無論是知識還是信心都有了質的飛躍。如果能在學習過程中學會舉一反三、觸類旁通，找個心儀的工作問題不會太大。
能力和經驗的提升是一個長期的過程，強烈建議基于上述知識基礎及問題解決的技巧，開展更多的項目實踐、比如圖像的放大縮小、車牌識別、手勢識別等，LVDS、MIPI、HDMI接口等高速接口，也可以開展4K、8K圖像處理掌握更高速、更復雜的FPGA圖像處理項目。在成功喜悅和失敗煎熬的錘煉下，你或許也會跟我一樣感慨，成為大牛并沒有想象中那么難！
