第36章第一个FPGA程序钢铁雄心从南天门到星辰大海

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——EPM5064以及一套极其简陋的下载线和开发软件（MAX+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。

当那个最终的、用于下载到FPGA芯片的 .pof 文件终于生成时三人都松了一口气。

最关键的时刻到来了——硬件测试。

他们将那片EPM5064芯片插入一个自制的、布满杜邦线的测试底板连接好下载线接通电源。

陈北玄深吸一口气在开发软件上点击了“Program”按钮。

下载进度条缓慢地移动……100%！编程成功！他们为计数器设计了简单的输出通过四个LED灯来显示二进制状态。

当按下复位键后四个LED灯开始随着输入时钟的节拍规律地闪烁、变化清晰地展示出0到15的二进制计数循环！成功了！他们成功地将一段代码“烧写”进了芯片让它变成了一个实实在在的、具有特定功能的数字电路！ “我们做到了！陈工！我们真的用代码‘造’出了一个计数器！”小李指着那规律闪烁的LED灯激动得声音都有些颤抖。

这种感觉与编写软件程序截然不同这是一种创造硬件的奇妙体验。

小张也兴奋地记录着测试数据虽然这只是一个再简单不过的功能但其背后代表的意义却极其重大。

这意味着他们初步掌握了利用FPGA进行数字系统设计的能力为未来开发更复杂的、诸如总线控制器、信号处理单元、甚至专用协处理器等核心车辆电子部件迈出了至关重要的第一步。

陈北玄看着那闪烁的灯光脸上露出了欣慰的笑容。

他知道这小小的第一步如同在数字世界的荒原上点燃了第一堆篝火。

光芒虽弱却足以照亮前路给予探索者以方向和勇气。

“这只是开始。

”陈北玄对两位年轻人说“接下来我们要用FPGA去实现‘麒麟’所需的第一块拼图——一个简化版的、符合我们自定义协议的车辆内部总线控制器。

” 更艰巨的挑战还在后面。

但此刻电子实验室里弥漫着的是攻克难关后的喜悦以及对未来无限可能的憧憬。

那颗名为“硬件可编程”的种子已经在这片贫瘠的土壤中顽强地生根发芽。

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