FPGA國產化時代的教學探索

王鵬，涂友超，龔克

（信陽師范學院，河南信陽 464000)

0 引言

近年來，隨著我國綜合國力和高科技領域實力的快速提高，電子信息產業取得了極大進步，但以美國為首的西方國家對我國的高科技產業持續打壓，中興、華為等公司頻繁遭遇各種斷供門，在國內外造成了嚴重影響，FPGA同樣未能幸免。可喜的是，近年來國產廠商在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步提升，已可在許多應用場合中取代Xilinx 和Altera 芯片[1]。然而，高校的FPGA 授課及實踐環節仍然是Xilinx 和Altera 的天下（后分別被AMD和Intel收購，以下同），導致培養的大學生在走向工作崗位后也仍然習慣于使用這兩家的FPGA 產品，這對進一步鞏固國內FPGA 產業，培養更多的新生力量是十分不利的。針對上述情況，在信陽師范學院首創以國產FPGA 為講授內容，覆蓋本科教學、研究生教學、創新實踐項目、學科競賽培訓等多個環節，讓學生真正體驗到國產FPGA的進步，并緊跟行業發展趨勢，以項目制為牽引，精心設計了一批全新的應用案例，真正發揮FPGA的強大性能，使學生直觀感受到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的發展貢獻力量。

1 國內FPGA現狀

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

隨著電子產業的飛速發展，我國的FPGA 工程師數量已躍居世界之首[4]，在此背景下，一批國產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了腳跟[5-6]。更重要的是，這些國產FPGA芯片廠家的出現代表著我國打破了美國一家壟斷FPGA 市場的現狀，這也是我國科技實力進步的一大體現。

2020年以來，新冠疫情持續在全球蔓延并對多個行業造成嚴重影響，“缺芯漲價”成為近年來集成電路市場最典型的體現，許多主流FPGA 芯片采購價比疫情前翻了數倍甚至更多，高昂的采購成本倒逼大量企業修改產品方案[7]。原本相對弱勢的國內FPGA 廠家反而迎來了難得的發展機遇，據統計，截止至2021年，國產FPGA 合計拿到了約10%的市場份額，實屬不易。當然，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致，待二者產能恢復及市場平穩后，預計Xilinx 和Intel 的市占率仍會逐步回升，國產廠商必須抓住寶貴的窗口期，加速產品布局和升級迭代，盡力在Xilinx 和Intel 恢復元氣后拿下更大的市場份額。

2 FPGA在高校

FPGA 課程已經納入高校培養計劃多年，國內也涌現出了一批優秀的FPGA學習教材及參考書[8]，但正如前所述，這些教材和參考書均以Intel 或AMD 公司FPGA 為學習對象，適配國內FPGA 的教材和參考書仍是一片空白，這對培養本土FPGA 產業鏈及完善相關生態十分不利。

客觀說，國內FPGA 廠商的研發實力仍然與美國存在著極大差距，當進口高端FPGA 已集成數百萬個LE 時，國內FPGA 芯片的LE 數量還主要集中在數百至數萬個量級，在開發軟件上同樣存在明顯差距，但我們也必須正視國內FPGA 廠商取得的進步，而且國內廠商在中低端已具有相當強的競爭力，并不遜色于國外產品[9]，這也是國內廠商能在近年來持續擴大市場份額的關鍵。

在國外對我國的高科技發展日益打壓的今日，我們既要正視與西方發達國家的科技差距，虛心學習國外的優秀經驗，也要大力支持民族高科技產業的發展，選擇優秀的國產FPGA 廠家進行FPGA 授課已十分必要，作者自2006年起開始專業從事FPGA應用系統研發工作，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FPGA廠商的成長，作為一名高校教師，深感有義務讓更多的同學們認識和學習到我國自己的FPGA 芯片，并持續為國產FPGA 產業的發展添磚加瓦。

3 在教學中轉向國產FPGA

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

大學授課需要的是中小規模甚至入門級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支持能力等，在這方面，安路、高云、遨格芯微等國產廠商都是較合適的選擇，而且其銷售網絡相對成熟，產品售價低廉，以安路的EG4XBG256 為例，該芯片采用兼容Xilinx Spartan6 BGA256 封裝引腳設計，支持最高IO 數量達到193 個，但芯片典型售價僅為40 元左右，而與之規模相近的Xilinx XC6SLX16 售價高達300元[10]。

除了芯片價格占據顯著優勢，國產廠商近年來還下大力氣完善了各自的集成開發軟件及數據手冊、硬件設計參考等，同樣以安路為例，其開發軟件TD 在2019 年的穩定版本為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軟件GwFPGA和Supra。在仿真軟件上，國產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雜FPGA工程仿真。

相對而言，安路和高云的產品手冊均較完善，二者還在各自網站上給出了大量參考設計和設計資源，能幫助用戶快速開展相關設計，遨格芯微的設計資源仍有待進一步完善，公司網站上僅提供了基本的Data Sheet 和Pinout 列表，當然，也希望國內能涌現出更多的優秀FPGA廠家。

4 教學思考及改進

以本科教學為例，FPGA課程通常在本科二、三年級開展，且通常與51 單片機、MCU 等課程同步學習，但與這些課程相比，FPGA的學習難度明顯偏高，雖然其開發流程接近于嵌入式系統的C語言開發，但因開發語言HDL 相對晦澀，再加上其獨特的并發執行理念，許多學生在學習該課程時通常難以理解背后的硬件實質，仍將其視作一種特殊的軟件編程語言，導致越是學習到后期，學習越是吃力，甚至在臨近學期結束時仍認為FPGA只是一種比較特殊的MCU，整體學習效果大打折扣[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，介紹如下：

4.1 始終堅持培養硬件思維

在課程學習前期，要特別重視學生對FPGA 工作原理的深入理解。FPGA是復雜可編程邏輯器件的典型代表，以主流的SRAM型FPGA為例，其內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字集成邏輯芯片，它所實現的所有功能都可用一張數字電路原理圖來表示。

事實上，在FPGA誕生后的相當長一段時間里，人們正是用其來代替傳統的74系列中小規模數字集成電路，且主要的設計手段就是原理圖設計輸入方式，然后由FPGA廠家提供的專用軟件將該原理圖進一步轉化為可供FPGA 使用的配置文件，只是傳統物理意義上真實存在的數字集成電路器件全部由FPGA內部的LUT 和觸發器組成，物理連線也變為FPGA 內部專用的可編程互聯資源。時至今日，許多FPGA 開發系統還保留著早期的原理圖設計輸入方式，出于加深理解的目的，可以讓學生通過該方式試驗一些簡單的例程，如基本邏輯門、計數器、觸發器等，同時也可和后面要學習的基于HDL方式的設計流程進行對比，直觀體驗到HDL語言帶來的標準化與高效率。

4.2 針對性設計創新實驗

在基本掌握HDL語法的基礎上，授課教師通常會根據學習進度，不定期地為學生安排一些基本的課內實驗，如動態數碼管顯示、矩陣鍵盤識別、蜂鳴器演奏等，這些實驗十分經典，不僅在FPGA 課程中頻繁出現，也是數字電路、單片機、嵌入式系統等課程的常見實驗內容。但是要想讓學生真正體驗到FPGA的強大實力和獨特魅力，還必須要針對FPGA 的優勢開發一系列FPGA 專屬實驗，否則如果只停留在這些簡單基礎的實驗層次上，學生很容易陷入一種迷茫的狀態，尤其是會自發與單片機進行對比，這些實驗采用單片機和C語言開發更為簡單，也更易理解，而FPGA的代碼相對晦澀，那FPGA 的優點到底是什么，能用來干什么？

與單片機相比，FPGA 最大的優勢就是其硬件級處理及并行執行能力，一個FPGA 設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系，且它們的運行都依賴于嚴格的硬件時序，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）本質上都是串行處理架構，雖然主頻看上去可能比FPGA 高，但在高速信號采集及處理領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，基于這些應用背景，可設計出一大批創新性的FPGA實驗，雖然其實驗難度也相對較大，但大部分學生還是非常樂于接受挑戰，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，基本是不可能實現的，學生從中可以真正體會到FPGA的強大與神奇之處。

4.3 通過學科競賽推廣FPGA

在電子領域，全國大學生電子設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的1 117 所院校，19 735 個學生隊伍，近6 萬名大學生報名參加。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計競賽，一些知名半導體企業也會不定期舉辦各類設計競賽。

因成本高、實現難度大，FPGA在電賽早期的應用并不多，但自2015年起，FPGA 在通信類、儀器儀表類賽題中的方案優勢愈發明顯，再加上入門級FPGA 芯片價格的下探，許多FPGA 開發板的價格已降至200元以下，與MCU開發板的典型售價已十分接近，國產FPGA 陣營的加入更進一步拉低了FPGA 平均售價，以2015年的數字頻率計題目為例，基本要求使用普通的STM32系列實現相對容易，但如果要實現全部的附加功能，則對處理器的性能和軟件開發框架均有著較高要求，而使用FPGA實現則十分方便，且測量結果和精度均全方位優于MCU 方案。同樣地，2017 年的調幅信號處理電路也十分適合FPGA 方案實現，自2019年起，全國電賽開始增加物聯網方向賽題，該年的基于互聯網的信號傳輸系統要求使用千兆以太網實現，FPGA 同樣可以輕易實現全部功能，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，該年的“基于互聯網的攝像測量系統”“數字-模擬信號混合傳輸收發機”均十分適合用FPGA實現。

綜上所述，隨著FPGA 在電子領域應用的日益普遍，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備，在賽前培訓、模擬訓練、包括日常的課堂教學及實驗環節，均需要針對性更新相應內容，切實體現出FPGA 的性能優勢，讓學生在訓練中真正得到鍛煉和提升，達到以賽促學、以賽促教的目的。

5 總結

近年來，西方對我國的打壓和科技封鎖愈發嚴重，FPGA作為電子行業高精尖產品的典型代表，同樣不能獨善其身。可喜的是，近年來國內已經涌現出一批掌握核心技術的國產FPGA 廠商，且在與國際巨頭的同類產品競爭中有著突出的性價比優勢，再加上新冠疫情以來國外芯片供應鏈極度不穩定、價格波動劇烈，國內FPGA廠商已拿下了一定的市場份額[12]，但在大學授課環節，國產FPGA的存在感仍十分微弱，筆者經過多年的嘗試，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中嘗試開展了國產FPGA進課堂活動，收到了十分可喜的效果。

另一方面，FPGA的發展及應用同樣日新月異，傳統的課堂教學中，FPGA入門案例雖然經典，但已難以體現出FPGA 的真正優勢，甚至會讓學生產生FPGA不如MCU好用的錯誤觀念，為此，在創新案例和學科競賽培訓上針對FPGA的特點設計了一批全新的應用實例，既能很好地鍛煉學生，又能讓學生感受到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產業，高校理應是先行者，也是引導者。