FPGA国产化时代的教学探索

王鹏，涂友超，龚克

（信阳师范学院，河南信阳 464000)

0 引言

近年来，随着我国综合国力和高科技领域实力的快速提高，电子信息产业取得了极大进步，但以美国为首的西方国家对我国的高科技产业持续打压，中兴、华为等公司频繁遭遇各种断供门，在国内外造成了严重影响，FPGA同样未能幸免。可喜的是，近年来国产厂商在FPGA 市场取得了一定突破，存在感日益增强，出货量与市场占有率稳步提升，已可在许多应用场合中取代Xilinx 和Altera 芯片[1]。然而，高校的FPGA 授课及实践环节仍然是Xilinx 和Altera 的天下（后分别被AMD和Intel收购，以下同），导致培养的大学生在走向工作岗位后也仍然习惯于使用这两家的FPGA 产品，这对进一步巩固国内FPGA 产业，培养更多的新生力量是十分不利的。针对上述情况，在信阳师范学院首创以国产FPGA 为讲授内容，覆盖本科教学、研究生教学、创新实践项目、学科竞赛培训等多个环节，让学生真正体验到国产FPGA的进步，并紧跟行业发展趋势，以项目制为牵引，精心设计了一批全新的应用案例，真正发挥FPGA的强大性能，使学生直观感受到FPGA相比MCU的神奇之处，收到了很好的效果，同时也希望能与更多同仁一并探讨，共同为我国FPGA的发展贡献力量。

1 国内FPGA现状

与MCU相比，FPGA的定位更为高端，“小众”“昂贵”一直是FPGA的标签。自20世纪末开始，FPGA逐步进入中国市场，再加上Altera、Xilinx 等公司推出的众多大学计划及校企合作实验室项目，几乎所有的大学FPGA课程均是以二者的FPGA为授课内容开展[2]，培养了一大批忠实用户，Altera 和Xilinx 在很短时间内就占据了国内市场的绝对主流，并进一步催生了各自生态圈的完善[3]。

随着电子产业的飞速发展，我国的FPGA 工程师数量已跃居世界之首[4]，在此背景下，一批国产FPGA芯片厂家开始崭露头角，如安路、高云、遨格芯微等，它们虽然体量较小，但凭借相对较高的性价比，在中低端市场初步站稳了脚跟[5-6]。更重要的是，这些国产FPGA芯片厂家的出现代表着我国打破了美国一家垄断FPGA 市场的现状，这也是我国科技实力进步的一大体现。

2020年以来，新冠疫情持续在全球蔓延并对多个行业造成严重影响，“缺芯涨价”成为近年来集成电路市场最典型的体现，许多主流FPGA 芯片采购价比疫情前翻了数倍甚至更多，高昂的采购成本倒逼大量企业修改产品方案[7]。原本相对弱势的国内FPGA 厂家反而迎来了难得的发展机遇，据统计，截止至2021年，国产FPGA 合计拿到了约10%的市场份额，实属不易。当然，近两年Xilinx 和Intel 市场份额下降更多是因为缺货和中间商提价导致，待二者产能恢复及市场平稳后，预计Xilinx 和Intel 的市占率仍会逐步回升，国产厂商必须抓住宝贵的窗口期，加速产品布局和升级迭代，尽力在Xilinx 和Intel 恢复元气后拿下更大的市场份额。

2 FPGA在高校

FPGA 课程已经纳入高校培养计划多年，国内也涌现出了一批优秀的FPGA学习教材及参考书[8]，但正如前所述，这些教材和参考书均以Intel 或AMD 公司FPGA 为学习对象，适配国内FPGA 的教材和参考书仍是一片空白，这对培养本土FPGA 产业链及完善相关生态十分不利。

客观说，国内FPGA 厂商的研发实力仍然与美国存在着极大差距，当进口高端FPGA 已集成数百万个LE 时，国内FPGA 芯片的LE 数量还主要集中在数百至数万个量级，在开发软件上同样存在明显差距，但我们也必须正视国内FPGA 厂商取得的进步，而且国内厂商在中低端已具有相当强的竞争力，并不逊色于国外产品[9]，这也是国内厂商能在近年来持续扩大市场份额的关键。

在国外对我国的高科技发展日益打压的今日，我们既要正视与西方发达国家的科技差距，虚心学习国外的优秀经验，也要大力支持民族高科技产业的发展，选择优秀的国产FPGA 厂家进行FPGA 授课已十分必要，作者自2006年起开始专业从事FPGA应用系统研发工作，见证了FPGA市场从小到大，从小众到全面开花的过程，也见证了国内FPGA厂商的成长，作为一名高校教师，深感有义务让更多的同学们认识和学习到我国自己的FPGA 芯片，并持续为国产FPGA 产业的发展添砖加瓦。

3 在教学中转向国产FPGA

笔者在长期的工作中使用过多款国产FPGA，一度也是Xilinx 和Intel 的忠实用户，但自华为事件发生后，再加上近年来各类芯片断供、涨价事件的出现，笔者首先在科研中全面转向国产FPGA，并欣喜地看到国产FPGA 厂商近年来确实是在苦练内功，芯片规模日益提升，用户体验也在逐步改善。再加上笔者在高校同时负责FPGA课程的本科、研究生课程、创新创业项目以及学科竞赛指导，自2020年起开始尝试将国产FPGA引入大学校园，收到了很好的效果。

大学授课需要的是中小规模甚至入门级FPGA，同时还要考虑到芯片的成熟度、售价、购买渠道以及厂家技术支持能力等，在这方面，安路、高云、遨格芯微等国产厂商都是较合适的选择，而且其销售网络相对成熟，产品售价低廉，以安路的EG4XBG256 为例，该芯片采用兼容Xilinx Spartan6 BGA256 封装引脚设计，支持最高IO 数量达到193 个，但芯片典型售价仅为40 元左右，而与之规模相近的Xilinx XC6SLX16 售价高达300元[10]。

除了芯片价格占据显著优势，国产厂商近年来还下大力气完善了各自的集成开发软件及数据手册、硬件设计参考等，同样以安路为例，其开发软件TD 在2019 年的稳定版本为4.6.2，安装文件大小仅为96MB，2022 年已迭代至5.6.1，安装文件达到了1.4GB，软件功能和用户体验均有了极大提升。此外，高云、遨格芯微同样拥有自己的开发软件GwFPGA和Supra。在仿真软件上，国产FPGA均可提供对主流仿真软件Modelsim 的良好支持，在对IP 核进行编译后，可顺利地开展各类复杂FPGA工程仿真。

相对而言，安路和高云的产品手册均较完善，二者还在各自网站上给出了大量参考设计和设计资源，能帮助用户快速开展相关设计，遨格芯微的设计资源仍有待进一步完善，公司网站上仅提供了基本的Data Sheet 和Pinout 列表，当然，也希望国内能涌现出更多的优秀FPGA厂家。

4 教学思考及改进

以本科教学为例，FPGA课程通常在本科二、三年级开展，且通常与51 单片机、MCU 等课程同步学习，但与这些课程相比，FPGA的学习难度明显偏高，虽然其开发流程接近于嵌入式系统的C语言开发，但因开发语言HDL 相对晦涩，再加上其独特的并发执行理念，许多学生在学习该课程时通常难以理解背后的硬件实质，仍将其视作一种特殊的软件编程语言，导致越是学习到后期，学习越是吃力，甚至在临近学期结束时仍认为FPGA只是一种比较特殊的MCU，整体学习效果大打折扣[11]。

针对上述问题，笔者做了一些有益的尝试，并用于近年来的本科教学，介绍如下：

4.1 始终坚持培养硬件思维

在课程学习前期，要特别重视学生对FPGA 工作原理的深入理解。FPGA是复杂可编程逻辑器件的典型代表，以主流的SRAM型FPGA为例，其内部包含了大量的查找表、寄存器、可编程布局布线资源、存储器、硬件乘法器等，其中查找表和寄存器是FPGA最具代表性的可编程硬件资源，分别用于实现任意组合逻辑功能和时序功能。从这里可以清晰地看出：FPGA就是一种典型的可编程数字集成逻辑芯片，它所实现的所有功能都可用一张数字电路原理图来表示。

事实上，在FPGA诞生后的相当长一段时间里，人们正是用其来代替传统的74系列中小规模数字集成电路，且主要的设计手段就是原理图设计输入方式，然后由FPGA厂家提供的专用软件将该原理图进一步转化为可供FPGA 使用的配置文件，只是传统物理意义上真实存在的数字集成电路器件全部由FPGA内部的LUT 和触发器组成，物理连线也变为FPGA 内部专用的可编程互联资源。时至今日，许多FPGA 开发系统还保留着早期的原理图设计输入方式，出于加深理解的目的，可以让学生通过该方式试验一些简单的例程，如基本逻辑门、计数器、触发器等，同时也可和后面要学习的基于HDL方式的设计流程进行对比，直观体验到HDL语言带来的标准化与高效率。

4.2 针对性设计创新实验

在基本掌握HDL语法的基础上，授课教师通常会根据学习进度，不定期地为学生安排一些基本的课内实验，如动态数码管显示、矩阵键盘识别、蜂鸣器演奏等，这些实验十分经典，不仅在FPGA 课程中频繁出现，也是数字电路、单片机、嵌入式系统等课程的常见实验内容。但是要想让学生真正体验到FPGA的强大实力和独特魅力，还必须要针对FPGA 的优势开发一系列FPGA 专属实验，否则如果只停留在这些简单基础的实验层次上，学生很容易陷入一种迷茫的状态，尤其是会自发与单片机进行对比，这些实验采用单片机和C语言开发更为简单，也更易理解，而FPGA的代码相对晦涩，那FPGA 的优点到底是什么，能用来干什么？

与单片机相比，FPGA 最大的优势就是其硬件级处理及并行执行能力，一个FPGA 设计中可以包含多个子模块，各子模块之前是完全的并行运行关系，且它们的运行都依赖于严格的硬件时序，而单片机、MCU（本科阶段通常不考虑部分高档双核、多核微处理器）本质上都是串行处理架构，虽然主频看上去可能比FPGA 高，但在高速信号采集及处理领域的能力是远逊色于FPGA的，以频率计为例，基于FPGA的频率计可以轻易实现对200MHz 以上信号的精确测量，而MCU则难以胜任，此外还有高速AD、DA处理、多路总线并行处理等，基于这些应用背景，可设计出一大批创新性的FPGA实验，虽然其实验难度也相对较大，但大部分学生还是非常乐于接受挑战，并取得较好的实验效果，更重要的是，如果是用MCU完成同样的功能，基本是不可能实现的，学生从中可以真正体会到FPGA的强大与神奇之处。

4.3 通过学科竞赛推广FPGA

在电子领域，全国大学生电子设计竞赛有着极高的知名度和影响力，该竞赛每2 年举办一次，以2021年全国电赛为例，共有来自全国各个省市赛区的1 117 所院校，19 735 个学生队伍，近6 万名大学生报名参加。此次竞赛共评出322项全国一等奖及790项全国二等奖，一等奖获奖率仅为1.63%，二等奖获奖率也仅为4%。许多一等、二等奖获得者直接被各大高校保送为研究生。此外，许多省份还开展有省级电子设计竞赛，一些知名半导体企业也会不定期举办各类设计竞赛。

因成本高、实现难度大，FPGA在电赛早期的应用并不多，但自2015年起，FPGA 在通信类、仪器仪表类赛题中的方案优势愈发明显，再加上入门级FPGA 芯片价格的下探，许多FPGA 开发板的价格已降至200元以下，与MCU开发板的典型售价已十分接近，国产FPGA 阵营的加入更进一步拉低了FPGA 平均售价，以2015年的数字频率计题目为例，基本要求使用普通的STM32系列实现相对容易，但如果要实现全部的附加功能，则对处理器的性能和软件开发框架均有着较高要求，而使用FPGA实现则十分方便，且测量结果和精度均全方位优于MCU 方案。同样地，2017 年的调幅信号处理电路也十分适合FPGA 方案实现，自2019年起，全国电赛开始增加物联网方向赛题，该年的基于互联网的信号传输系统要求使用千兆以太网实现，FPGA 同样可以轻易实现全部功能，而如果要用微处理器方案，则至少需要高档ARM 处理器甚至DSP 才能达到类似性能，这一趋势在2021年再次得到体现，该年的“基于互联网的摄像测量系统”“数字-模拟信号混合传输收发机”均十分适合用FPGA实现。

综上所述，随着FPGA 在电子领域应用的日益普遍，各类电赛题目中适合使用FPGA 方案的赛题也日益增加，各参赛高校必须注意到这一趋势并提前做好准备，在赛前培训、模拟训练、包括日常的课堂教学及实验环节，均需要针对性更新相应内容，切实体现出FPGA 的性能优势，让学生在训练中真正得到锻炼和提升，达到以赛促学、以赛促教的目的。

5 总结

近年来，西方对我国的打压和科技封锁愈发严重，FPGA作为电子行业高精尖产品的典型代表，同样不能独善其身。可喜的是，近年来国内已经涌现出一批掌握核心技术的国产FPGA 厂商，且在与国际巨头的同类产品竞争中有着突出的性价比优势，再加上新冠疫情以来国外芯片供应链极度不稳定、价格波动剧烈，国内FPGA厂商已拿下了一定的市场份额[12]，但在大学授课环节，国产FPGA的存在感仍十分微弱，笔者经过多年的尝试，以安路公司的EF2、EG4等系列为处理核心，首次在本科及研究生教学中尝试开展了国产FPGA进课堂活动，收到了十分可喜的效果。

另一方面，FPGA的发展及应用同样日新月异，传统的课堂教学中，FPGA入门案例虽然经典，但已难以体现出FPGA 的真正优势，甚至会让学生产生FPGA不如MCU好用的错误观念，为此，在创新案例和学科竞赛培训上针对FPGA的特点设计了一批全新的应用实例，既能很好地锻炼学生，又能让学生感受到FPGA的强大与神奇之处。近年来，我校在历次全国电赛中均有FPGA 方向队员获得国赛奖励，这对一所并非以理工科见长的普通二本师范高校十分难能可贵，在此也将上述教学改革的思路及典型案例与各位同仁一并分享，做大做强祖国的FPGA产业，高校理应是先行者，也是引导者。