The Tutorial for FPGA Player - Episode 1: Logic Gate, FPGA, Development Board, Game Console

22 Feb 2021

相信通过上一期的文章，大家已经对逻辑电路和单片机的区别有了一些了解，也看到了一些其它爱好者使用逻辑电路（FPGA）做的一些制作。今天要讲的则是一些更加实际的东西，关于相关芯片、开发板的购买，以及本系列实现教程的目标——游戏机——的过程概览。

74 or PLD?

也是按照之前的顺序，我们先讲74再讲CPLD/FPGA。74系列芯片虽然是很早以前就有的东西，功能也可以被可编程器件取代，但是它并没有被完全淘汰。74系列芯片仍然经常被应用在各种电路当中，也容易被买到。值得注意的是，74系列芯片也经常被称为TTL芯片，这是不准确的，74系列也有不少使用CMOS技术制造的芯片，且CMOS是最常使用的，而非TTL。另外提一点，虽然74系列芯片可以被认为是基础，但是完成本系列的教程并不一定需要购买使用74系列芯片，当然作为增加趣味是可以的。

74系列之所以被称为系列，是因为它里面有许多不同功能的芯片，组成了一个系列。基础的比如与或非门，稍微复杂一些的如触发器，再复杂一些如计数器、加法器，都有对应的芯片可以选择。玩过单片机的朋友可能比较熟悉595、245，这些也是74系列芯片的成员，这两者分别常用于扩展IO口和驱动总线。通常来说，74系列芯片使用14脚的DIP或SOP封装，实现一个制作通常也需要多片74芯片。因为根据不同制作和设计的不同，需要的芯片种类和个数也有可能非常不一样，这里可能很难做一个具体的推荐。但是为了完成一些基础的实验，通常来说会用到74HC04（非门）、74HC08（与门）、74HC32（或门）、74HC74（D触发器）和74HC47（LED译码器）。考虑到这些芯片的价格通常比较便宜（几毛钱到1块多人民币不等），可以在买元件的时候顺便带上几片。值得注意的是，由于74芯片确实可以实现和FPGA等价的逻辑功能（但是设计的时序问题可能就较难处理，通常只能实现较为低速的电路设计），为此有不少人热衷于使用74芯片来实现大型的电路，而不是FPGA。毕竟最初的目的只是为了好玩，用74来设计确实可以增加不少乐趣。以下是一个完全用74芯片制作的CPU——TD4： 感兴趣的朋友可以自己搜索来了解一下，也可以尝试把它做出来。

（使用74系列芯片制作的CPU——TD4）

接下来，来讲讲CPLD和FPGA。74虽然能做逻辑电路，但是，设计起来费力，制作起来费力，调试起来也费力。可编程逻辑器件就相对友好的多。可编程逻辑器件，最常见的也就是CPLD和FPGA。

CPLD or FPGA？

初学者常有的一个疑问就是，CPLD和FPGA有什么区别？在过去，CPLD和FPGA是两种不同的技术。虽然他们都用来实现类似的目的：实现逻辑电路，但是内部使用了不同的实现方法。比如一个重要的区别是CPLD是基于ROM而FPGA是基于RAM的，以至于CPLD可以上电就立即开始工作，而FPGA需要先从Flash载入配置到RAM。以及，CPLD内部使用了PAL结构的可编程块，FPGA内部使用基于查找表的逻辑单元按照矩阵排布，以至于CPLD的逻辑规模通常不及FPGA。不过，各大厂家都已经开始生产一些内置Flash的FPGA，然后当成CPLD来卖，所以上面讲的原理上的区别，对于今天的CPLD和FPGA而言，可能已经不一定成立了，毕竟你买到的CPLD里面可能实际上是个FPGA。

那么对于我们而言，CPLD和FPGA应该怎么选呢？我的建议是，它到底是CPLD还是FPGA其实对于我们而言不重要，重要的是它内部的资源。就像我们买单片机的时候，会看它的主频、内存容量等参数，FPGA也有这样的参数，而这个参数就是逻辑规模。通常而言这个逻辑规模使用等效4输入查找表的数量来描述，单位也就是LUT或者kLUT，不同厂家的说法存在不同，如Intel的单位是LE，Xilinx的单位是LC，但是含义是差不多的。注意等效这个词，在单片机的世界里，虽然多少KB就是多少KB，但是不同单片机的“KB”可能是不能直接比较的，同样的程序在不同的单片机上可能需要占用不同的内存空间，而同样MHz主频的单片机也可能性能存在巨大的差异。在CPLD/FPGA的世界里这个问题就更加严重了，同一个厂商不同系列的产品通常内部架构都有差异，以至于带有的资源数量很难直接用于比较，所以才有了等效量的说法。

那么，这个等效量，典型的值是多少呢？目前规模最小的CPLD具有的等效逻辑量只有约30（0.03K），而最大的可以到达约2.8M（2800K），可以说差距是十分的悬殊了。而对于爱好者，通常常用的规模范围，是在数百到几十K之间，太少了通常做不了什么事情，太多了其实也用不过来。举几个例子的话，通常而言入门的逻辑电路实验不会使用超过10个查找表，而实现一个简单的4位CPU通常需要100个查找表，实现一个典型的8位CPU需要500到5000个查找表，而这次教程的目标——实现一个完整的GameBoy，需要大约10000（10K）个查找表。所以如果要购买开发板实现这次的完整的目标，我也推荐购买至少达到10K逻辑规模的开发板。当然，只是为了学习的话，也没有必要全部搬到板子上运行，就像玩单片机一样，玩仿真也是玩。在FPGA开发当中仿真是极其有效且极其重要的一个手段，即使是有了开发板也是离不开仿真的。所以想要学习的话不买板子也行，或者只买个低容量的板子也行。

容量怎么看呢？很简单。市面上FPGA主要有两大厂家，一个是Intel（原先的Altera），另外一个是Xilinx。Intel的最常用的就是Cyclone系列，型号通常开头为EPaAb的格式，a和b分别表示代数和规模，A表示系列，如EP3C25，这个3表示代数，25则是表示25K的规模，C就是表示Cyclone了。一般对于初学而言，第几代关系不大。常用的是2-4代。第5代更换了命名规则，可能不容易从型号中直接看出规模了，需要查询手册。另外推荐的一个系列就是上面提到过得MAX10，作为低端FPGA性价比很不错，命名方法类似，10M50就表示MAX10系列50K单元。而Xilinx这边的命名方式是类似的，通常为XCaAb，a和b表示代数和规模，A表示系列。如XC6SLX15，6是代数，15是规模（15K），SLX是系列，表示Spartan LX。最常用的低端系列就是Spartan（S）和Artix（A），推荐可以考虑的型号如XC6SLX16和XC7A50。这个命名法适用于5-7代的产品，更早的标识方法不同。

开发板？

下一个问题，也是大家在买51单片机开发板时遇到过的问题，板子上需要有什么外设。ADC？DAC？串口？视频接口？LED？DDR内存？确实这也是个取决于你想做什么的事情，但是这里有一些大体上的建议。对于初学来说，LED和按钮/开关，是挺好用的东西，板子上最好能有。视频输出接口，最好能有，VGA/DVI/HDMI都行，如果没有的话能有配套的较大尺寸LCD也是好的。内存方面，虽然SDRAM和DDR内存容量更大，但是使用起来略微麻烦一些，如果有SRAM会很方便，但是有SDRAM和DDR也不是坏事，当然如果没有的话就会稍稍有些尴尬。另外并行Flash也是一种很好用的东西，然而除了大厂和官方出的一些开发板会有配备外，一般都没有。音频接口对于实现GameBoy而言也是必要的，当然如果没有可以用通用DA代替，或是用普通的IO+PWM/PDM代替，不是很要紧。最后的，USB、网口一类的接口，本次教程中并不会涉及到。

具体的选择？我个人虽然更加喜欢官方或者说大厂的板子（如Terasic和Digilent），但是国产的开发板有更多高性价比的选择。具体什么样还是看各位自己的喜好啦。本次的教程，演示将主要在Terasic的DE10-Lite（使用Intel MAX10系列FPGA）和Xilinx的ML505（使用Xilinx Virtex 5系列FPGA）上同步完成，方便选择任意一家板子的同学学习使用。之后也会教大家如何参考开发板提供的资料，把设计移植到自己的开发板上。如果说你决定选择这两家之外的FPGA（比如安路或者Lattice），使用方法也是大同小异的，毕竟大家都是使用的同样的编程语言。编程语言的问题我们将在之后讲到。

（DE10-Lite开发板）

（ML505开发板）

最后来具体说说这次教程的安排和具体的目标。之前说了要实现一个GameBoy，但是并没有讲这个东西要怎么实现。我也问过我的一些朋友，有的告诉我这个作为教程很有趣，也有的告诉我这个目标实在太大了，做不到。我想的是，希望这样的项目相比常见教程中的一个个实验而言，足够有趣。作为一个大的项目，其本身的挑战和趣味能够一定程度上激励大家慢慢完成吧。废话不多说，来具体讲讲GameBoy。

上期提过，FPGA的一个玩法是用来实现一些老的电脑，而GameBoy也可以被看成是一种特殊的电脑。这里就简单列举一下GameBoy的一些基本硬件参数：

• 4MHz 类8080 8位处理器
• 8KB工作内存+8KB视频内存
• 像素处理单元（PPU）用于产生图像
• 音频单元，可以合成2个通道的方波，1个通道的杂波和1个通道的PCM
• 游戏卡带，最大容量可达8MB

而以下就是在FPGA中实现GameBoy的整体框图：

（VerilogBoy框架）

东西不少，要完整实现确实是有不少活要干的。里面有复杂的部分比如一个完整的CPU，也有简单的部分比如定时器。另外还有一些常见的音视频接口的实现（AC97和VGA），还有基础协议的实现（手柄接口中的SPI）。作为一个项目而言，涵盖的部分算是挺全了，但是与此同时各部分又是模块化的，可以剥离开来单独研究、实现。在之后的教程中我们也将逐一的完成整个GameBoy。

从下一期开始，我们也将正式开始相关知识的学习。为了保证趣味性，理论和操作的内容将会穿插进行，且尽可能以，先操作后学习的顺序来，因为实际操作的经验有助于理解学习的内容。最开始的知识点自然就是逻辑电路和数字电路的基础了。基础虽然枯燥但是如果没有基础，到最后的空中楼阁就更加难办了。而有了基础之后，就可以开始设计GameBoy中简单的一些部分了，如定时器。之后慢慢就可以进行更复杂的模块的设计，如视频和音频。于此同时我也会穿插一些CPU相关的内容，毕竟也是最终需要实现的一部分。希望到最后，大家能够在自己的开发板上造出一个可以玩的GameBoy吧？

（FPGA上的GameBoy Demo）