FPGA國產(chǎn)化時代的教學(xué)探索

王鵬，涂友超，龔克

（信陽師范學(xué)院，河南信陽 464000)

0 引言

近年來，隨著我國綜合國力和高科技領(lǐng)域?qū)嵙Φ目焖偬岣?，電子信息產(chǎn)業(yè)取得了極大進步，但以美國為首的西方國家對我國的高科技產(chǎn)業(yè)持續(xù)打壓，中興、華為等公司頻繁遭遇各種斷供門，在國內(nèi)外造成了嚴(yán)重影響，F(xiàn)PGA同樣未能幸免?？上驳氖?，近年來國產(chǎn)廠商在FPGA 市場取得了一定突破，存在感日益增強，出貨量與市場占有率穩(wěn)步提升，已可在許多應(yīng)用場合中取代Xilinx 和Altera 芯片[1]。然而，高校的FPGA 授課及實踐環(huán)節(jié)仍然是Xilinx 和Altera 的天下（后分別被AMD和Intel收購，以下同），導(dǎo)致培養(yǎng)的大學(xué)生在走向工作崗位后也仍然習(xí)慣于使用這兩家的FPGA 產(chǎn)品，這對進一步鞏固國內(nèi)FPGA 產(chǎn)業(yè)，培養(yǎng)更多的新生力量是十分不利的。針對上述情況，在信陽師范學(xué)院首創(chuàng)以國產(chǎn)FPGA 為講授內(nèi)容，覆蓋本科教學(xué)、研究生教學(xué)、創(chuàng)新實踐項目、學(xué)科競賽培訓(xùn)等多個環(huán)節(jié)，讓學(xué)生真正體驗到國產(chǎn)FPGA的進步，并緊跟行業(yè)發(fā)展趨勢，以項目制為牽引，精心設(shè)計了一批全新的應(yīng)用案例，真正發(fā)揮FPGA的強大性能，使學(xué)生直觀感受到FPGA相比MCU的神奇之處，收到了很好的效果，同時也希望能與更多同仁一并探討，共同為我國FPGA的發(fā)展貢獻力量。

1 國內(nèi)FPGA現(xiàn)狀

與MCU相比，F(xiàn)PGA的定位更為高端，“小眾”“昂貴”一直是FPGA的標(biāo)簽。自20世紀(jì)末開始，F(xiàn)PGA逐步進入中國市場，再加上Altera、Xilinx 等公司推出的眾多大學(xué)計劃及校企合作實驗室項目，幾乎所有的大學(xué)FPGA課程均是以二者的FPGA為授課內(nèi)容開展[2]，培養(yǎng)了一大批忠實用戶，Altera 和Xilinx 在很短時間內(nèi)就占據(jù)了國內(nèi)市場的絕對主流，并進一步催生了各自生態(tài)圈的完善[3]。

隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國的FPGA 工程師數(shù)量已躍居世界之首[4]，在此背景下，一批國產(chǎn)FPGA芯片廠家開始嶄露頭角，如安路、高云、遨格芯微等，它們雖然體量較小，但憑借相對較高的性價比，在中低端市場初步站穩(wěn)了腳跟[5-6]。更重要的是，這些國產(chǎn)FPGA芯片廠家的出現(xiàn)代表著我國打破了美國一家壟斷FPGA 市場的現(xiàn)狀，這也是我國科技實力進步的一大體現(xiàn)。

2020年以來，新冠疫情持續(xù)在全球蔓延并對多個行業(yè)造成嚴(yán)重影響，“缺芯漲價”成為近年來集成電路市場最典型的體現(xiàn)，許多主流FPGA 芯片采購價比疫情前翻了數(shù)倍甚至更多，高昂的采購成本倒逼大量企業(yè)修改產(chǎn)品方案[7]。原本相對弱勢的國內(nèi)FPGA 廠家反而迎來了難得的發(fā)展機遇，據(jù)統(tǒng)計，截止至2021年，國產(chǎn)FPGA 合計拿到了約10%的市場份額，實屬不易。當(dāng)然，近兩年Xilinx 和Intel 市場份額下降更多是因為缺貨和中間商提價導(dǎo)致，待二者產(chǎn)能恢復(fù)及市場平穩(wěn)后，預(yù)計Xilinx 和Intel 的市占率仍會逐步回升，國產(chǎn)廠商必須抓住寶貴的窗口期，加速產(chǎn)品布局和升級迭代，盡力在Xilinx 和Intel 恢復(fù)元氣后拿下更大的市場份額。

2 FPGA在高校

FPGA 課程已經(jīng)納入高校培養(yǎng)計劃多年，國內(nèi)也涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的FPGA學(xué)習(xí)教材及參考書[8]，但正如前所述，這些教材和參考書均以Intel 或AMD 公司FPGA 為學(xué)習(xí)對象，適配國內(nèi)FPGA 的教材和參考書仍是一片空白，這對培養(yǎng)本土FPGA 產(chǎn)業(yè)鏈及完善相關(guān)生態(tài)十分不利。

客觀說，國內(nèi)FPGA 廠商的研發(fā)實力仍然與美國存在著極大差距，當(dāng)進口高端FPGA 已集成數(shù)百萬個LE 時，國內(nèi)FPGA 芯片的LE 數(shù)量還主要集中在數(shù)百至數(shù)萬個量級，在開發(fā)軟件上同樣存在明顯差距，但我們也必須正視國內(nèi)FPGA 廠商取得的進步，而且國內(nèi)廠商在中低端已具有相當(dāng)強的競爭力，并不遜色于國外產(chǎn)品[9]，這也是國內(nèi)廠商能在近年來持續(xù)擴大市場份額的關(guān)鍵。

在國外對我國的高科技發(fā)展日益打壓的今日，我們既要正視與西方發(fā)達國家的科技差距，虛心學(xué)習(xí)國外的優(yōu)秀經(jīng)驗，也要大力支持民族高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，選擇優(yōu)秀的國產(chǎn)FPGA 廠家進行FPGA 授課已十分必要，作者自2006年起開始專業(yè)從事FPGA應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)工作，見證了FPGA市場從小到大，從小眾到全面開花的過程，也見證了國內(nèi)FPGA廠商的成長，作為一名高校教師，深感有義務(wù)讓更多的同學(xué)們認識和學(xué)習(xí)到我國自己的FPGA 芯片，并持續(xù)為國產(chǎn)FPGA 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添磚加瓦。

3 在教學(xué)中轉(zhuǎn)向國產(chǎn)FPGA

筆者在長期的工作中使用過多款國產(chǎn)FPGA，一度也是Xilinx 和Intel 的忠實用戶，但自華為事件發(fā)生后，再加上近年來各類芯片斷供、漲價事件的出現(xiàn)，筆者首先在科研中全面轉(zhuǎn)向國產(chǎn)FPGA，并欣喜地看到國產(chǎn)FPGA 廠商近年來確實是在苦練內(nèi)功，芯片規(guī)模日益提升，用戶體驗也在逐步改善。再加上筆者在高校同時負責(zé)FPGA課程的本科、研究生課程、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及學(xué)科競賽指導(dǎo)，自2020年起開始嘗試將國產(chǎn)FPGA引入大學(xué)校園，收到了很好的效果。

大學(xué)授課需要的是中小規(guī)模甚至入門級FPGA，同時還要考慮到芯片的成熟度、售價、購買渠道以及廠家技術(shù)支持能力等，在這方面，安路、高云、遨格芯微等國產(chǎn)廠商都是較合適的選擇，而且其銷售網(wǎng)絡(luò)相對成熟，產(chǎn)品售價低廉，以安路的EG4XBG256 為例，該芯片采用兼容Xilinx Spartan6 BGA256 封裝引腳設(shè)計，支持最高IO 數(shù)量達到193 個，但芯片典型售價僅為40 元左右，而與之規(guī)模相近的Xilinx XC6SLX16 售價高達300元[10]。

除了芯片價格占據(jù)顯著優(yōu)勢，國產(chǎn)廠商近年來還下大力氣完善了各自的集成開發(fā)軟件及數(shù)據(jù)手冊、硬件設(shè)計參考等，同樣以安路為例，其開發(fā)軟件TD 在2019 年的穩(wěn)定版本為4.6.2，安裝文件大小僅為96MB，2022 年已迭代至5.6.1，安裝文件達到了1.4GB，軟件功能和用戶體驗均有了極大提升。此外，高云、遨格芯微同樣擁有自己的開發(fā)軟件GwFPGA和Supra。在仿真軟件上，國產(chǎn)FPGA均可提供對主流仿真軟件Modelsim 的良好支持，在對IP 核進行編譯后，可順利地開展各類復(fù)雜FPGA工程仿真。

相對而言，安路和高云的產(chǎn)品手冊均較完善，二者還在各自網(wǎng)站上給出了大量參考設(shè)計和設(shè)計資源，能幫助用戶快速開展相關(guān)設(shè)計，遨格芯微的設(shè)計資源仍有待進一步完善，公司網(wǎng)站上僅提供了基本的Data Sheet 和Pinout 列表，當(dāng)然，也希望國內(nèi)能涌現(xiàn)出更多的優(yōu)秀FPGA廠家。

4 教學(xué)思考及改進

以本科教學(xué)為例，F(xiàn)PGA課程通常在本科二、三年級開展，且通常與51 單片機、MCU 等課程同步學(xué)習(xí)，但與這些課程相比，F(xiàn)PGA的學(xué)習(xí)難度明顯偏高，雖然其開發(fā)流程接近于嵌入式系統(tǒng)的C語言開發(fā)，但因開發(fā)語言HDL 相對晦澀，再加上其獨特的并發(fā)執(zhí)行理念，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程時通常難以理解背后的硬件實質(zhì)，仍將其視作一種特殊的軟件編程語言，導(dǎo)致越是學(xué)習(xí)到后期，學(xué)習(xí)越是吃力，甚至在臨近學(xué)期結(jié)束時仍認為FPGA只是一種比較特殊的MCU，整體學(xué)習(xí)效果大打折扣[11]。

針對上述問題，筆者做了一些有益的嘗試，并用于近年來的本科教學(xué)，介紹如下：

4.1 始終堅持培養(yǎng)硬件思維

在課程學(xué)習(xí)前期，要特別重視學(xué)生對FPGA 工作原理的深入理解。FPGA是復(fù)雜可編程邏輯器件的典型代表，以主流的SRAM型FPGA為例，其內(nèi)部包含了大量的查找表、寄存器、可編程布局布線資源、存儲器、硬件乘法器等，其中查找表和寄存器是FPGA最具代表性的可編程硬件資源，分別用于實現(xiàn)任意組合邏輯功能和時序功能。從這里可以清晰地看出：FPGA就是一種典型的可編程數(shù)字集成邏輯芯片，它所實現(xiàn)的所有功能都可用一張數(shù)字電路原理圖來表示。

事實上，在FPGA誕生后的相當(dāng)長一段時間里，人們正是用其來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的74系列中小規(guī)模數(shù)字集成電路，且主要的設(shè)計手段就是原理圖設(shè)計輸入方式，然后由FPGA廠家提供的專用軟件將該原理圖進一步轉(zhuǎn)化為可供FPGA 使用的配置文件，只是傳統(tǒng)物理意義上真實存在的數(shù)字集成電路器件全部由FPGA內(nèi)部的LUT 和觸發(fā)器組成，物理連線也變?yōu)镕PGA 內(nèi)部專用的可編程互聯(lián)資源。時至今日，許多FPGA 開發(fā)系統(tǒng)還保留著早期的原理圖設(shè)計輸入方式，出于加深理解的目的，可以讓學(xué)生通過該方式試驗一些簡單的例程，如基本邏輯門、計數(shù)器、觸發(fā)器等，同時也可和后面要學(xué)習(xí)的基于HDL方式的設(shè)計流程進行對比，直觀體驗到HDL語言帶來的標(biāo)準(zhǔn)化與高效率。

4.2 針對性設(shè)計創(chuàng)新實驗

在基本掌握HDL語法的基礎(chǔ)上，授課教師通常會根據(jù)學(xué)習(xí)進度，不定期地為學(xué)生安排一些基本的課內(nèi)實驗，如動態(tài)數(shù)碼管顯示、矩陣鍵盤識別、蜂鳴器演奏等，這些實驗十分經(jīng)典，不僅在FPGA 課程中頻繁出現(xiàn)，也是數(shù)字電路、單片機、嵌入式系統(tǒng)等課程的常見實驗內(nèi)容。但是要想讓學(xué)生真正體驗到FPGA的強大實力和獨特魅力，還必須要針對FPGA 的優(yōu)勢開發(fā)一系列FPGA 專屬實驗，否則如果只停留在這些簡單基礎(chǔ)的實驗層次上，學(xué)生很容易陷入一種迷茫的狀態(tài)，尤其是會自發(fā)與單片機進行對比，這些實驗采用單片機和C語言開發(fā)更為簡單，也更易理解，而FPGA的代碼相對晦澀，那FPGA 的優(yōu)點到底是什么，能用來干什么？

與單片機相比，F(xiàn)PGA 最大的優(yōu)勢就是其硬件級處理及并行執(zhí)行能力，一個FPGA 設(shè)計中可以包含多個子模塊，各子模塊之前是完全的并行運行關(guān)系，且它們的運行都依賴于嚴(yán)格的硬件時序，而單片機、MCU（本科階段通常不考慮部分高檔雙核、多核微處理器）本質(zhì)上都是串行處理架構(gòu)，雖然主頻看上去可能比FPGA 高，但在高速信號采集及處理領(lǐng)域的能力是遠遜色于FPGA的，以頻率計為例，基于FPGA的頻率計可以輕易實現(xiàn)對200MHz 以上信號的精確測量，而MCU則難以勝任，此外還有高速AD、DA處理、多路總線并行處理等，基于這些應(yīng)用背景，可設(shè)計出一大批創(chuàng)新性的FPGA實驗，雖然其實驗難度也相對較大，但大部分學(xué)生還是非常樂于接受挑戰(zhàn)，并取得較好的實驗效果，更重要的是，如果是用MCU完成同樣的功能，基本是不可能實現(xiàn)的，學(xué)生從中可以真正體會到FPGA的強大與神奇之處。

4.3 通過學(xué)科競賽推廣FPGA

在電子領(lǐng)域，全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽有著極高的知名度和影響力，該競賽每2 年舉辦一次，以2021年全國電賽為例，共有來自全國各個省市賽區(qū)的1 117 所院校，19 735 個學(xué)生隊伍，近6 萬名大學(xué)生報名參加。此次競賽共評出322項全國一等獎及790項全國二等獎，一等獎獲獎率僅為1.63%，二等獎獲獎率也僅為4%。許多一等、二等獎獲得者直接被各大高校保送為研究生。此外，許多省份還開展有省級電子設(shè)計競賽，一些知名半導(dǎo)體企業(yè)也會不定期舉辦各類設(shè)計競賽。

因成本高、實現(xiàn)難度大，F(xiàn)PGA在電賽早期的應(yīng)用并不多，但自2015年起，F(xiàn)PGA 在通信類、儀器儀表類賽題中的方案優(yōu)勢愈發(fā)明顯，再加上入門級FPGA 芯片價格的下探，許多FPGA 開發(fā)板的價格已降至200元以下，與MCU開發(fā)板的典型售價已十分接近，國產(chǎn)FPGA 陣營的加入更進一步拉低了FPGA 平均售價，以2015年的數(shù)字頻率計題目為例，基本要求使用普通的STM32系列實現(xiàn)相對容易，但如果要實現(xiàn)全部的附加功能，則對處理器的性能和軟件開發(fā)框架均有著較高要求，而使用FPGA實現(xiàn)則十分方便，且測量結(jié)果和精度均全方位優(yōu)于MCU 方案。同樣地，2017 年的調(diào)幅信號處理電路也十分適合FPGA 方案實現(xiàn)，自2019年起，全國電賽開始增加物聯(lián)網(wǎng)方向賽題，該年的基于互聯(lián)網(wǎng)的信號傳輸系統(tǒng)要求使用千兆以太網(wǎng)實現(xiàn)，F(xiàn)PGA 同樣可以輕易實現(xiàn)全部功能，而如果要用微處理器方案，則至少需要高檔ARM 處理器甚至DSP 才能達到類似性能，這一趨勢在2021年再次得到體現(xiàn)，該年的“基于互聯(lián)網(wǎng)的攝像測量系統(tǒng)”“數(shù)字-模擬信號混合傳輸收發(fā)機”均十分適合用FPGA實現(xiàn)。

綜上所述，隨著FPGA 在電子領(lǐng)域應(yīng)用的日益普遍，各類電賽題目中適合使用FPGA 方案的賽題也日益增加，各參賽高校必須注意到這一趨勢并提前做好準(zhǔn)備，在賽前培訓(xùn)、模擬訓(xùn)練、包括日常的課堂教學(xué)及實驗環(huán)節(jié)，均需要針對性更新相應(yīng)內(nèi)容，切實體現(xiàn)出FPGA 的性能優(yōu)勢，讓學(xué)生在訓(xùn)練中真正得到鍛煉和提升，達到以賽促學(xué)、以賽促教的目的。

5 總結(jié)

近年來，西方對我國的打壓和科技封鎖愈發(fā)嚴(yán)重，F(xiàn)PGA作為電子行業(yè)高精尖產(chǎn)品的典型代表，同樣不能獨善其身?？上驳氖?，近年來國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批掌握核心技術(shù)的國產(chǎn)FPGA 廠商，且在與國際巨頭的同類產(chǎn)品競爭中有著突出的性價比優(yōu)勢，再加上新冠疫情以來國外芯片供應(yīng)鏈極度不穩(wěn)定、價格波動劇烈，國內(nèi)FPGA廠商已拿下了一定的市場份額[12]，但在大學(xué)授課環(huán)節(jié)，國產(chǎn)FPGA的存在感仍十分微弱，筆者經(jīng)過多年的嘗試，以安路公司的EF2、EG4等系列為處理核心，首次在本科及研究生教學(xué)中嘗試開展了國產(chǎn)FPGA進課堂活動，收到了十分可喜的效果。

另一方面，F(xiàn)PGA的發(fā)展及應(yīng)用同樣日新月異，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，F(xiàn)PGA入門案例雖然經(jīng)典，但已難以體現(xiàn)出FPGA 的真正優(yōu)勢，甚至?xí)寣W(xué)生產(chǎn)生FPGA不如MCU好用的錯誤觀念，為此，在創(chuàng)新案例和學(xué)科競賽培訓(xùn)上針對FPGA的特點設(shè)計了一批全新的應(yīng)用實例，既能很好地鍛煉學(xué)生，又能讓學(xué)生感受到FPGA的強大與神奇之處。近年來，我校在歷次全國電賽中均有FPGA 方向隊員獲得國賽獎勵，這對一所并非以理工科見長的普通二本師范高校十分難能可貴，在此也將上述教學(xué)改革的思路及典型案例與各位同仁一并分享，做大做強祖國的FPGA產(chǎn)業(yè)，高校理應(yīng)是先行者，也是引導(dǎo)者。