单片机学到什么样程度才可以学嵌入式系统？现场可编程逻辑门阵列 可应用的领域有哪些

在上一篇文章中，小编为您详细介绍了关于《卫生间嵌入式灯坏了应该如何换20？白色踢脚线咋样》相关知识。本篇中小编将再为您讲解标题单片机学到什么样程度才可以学嵌入式系统？现场可编程逻辑门阵列 可应用的领域有哪些。

从单片机到嵌入式，是知识的积累，软件比硬件占据了更多的内容，没有操作系统这个东西

② · 它的出现改变了单片机时代的开发模式、嵌入式操作系统的使用，使得整个系统变得复杂，驱动程序的开发，应用程序的开发，选择不同的操作系统、总体来讲，对嵌入式系统来说，BOOT程序，操作系统的选择和移植，要有与之对应的开发环境，但最好从硬件上了解单片机内部各个单元的工作功能和原理，如中断是如何实现的？子程序调用是如何实现的？而不是只是简单地编写了几个程序。如果能这样更有助于以后的嵌入式的学习，软件开发分为多层次..

③ · 嵌入式处理器从硬件结构上变得也更加复杂，运行速度更快。

对于单片机的学习，硬件比较简单..，工作频率更高，CPU字长更宽，寄存器更多，集成的其它硬件接口单元模块更多....

④① · 首先，只是硬件比较简单，软件直接运行在硬件上，单片机也是简单的嵌入式系统

有点懒，引用下别人的答案吧。希望对题主有帮助。。

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我常年担任多个有关FPGA学习研讨的QQ群管理员，长期以来很多新入群的菜鸟们总是在重复的问①些非常简单但是又让新手困惑不解的问题。作为管理员经常要给这些菜鸟们普及基础知识，但是非常不幸的是很多菜鸟怀着①种浮躁的心态来学习FPGA，总是急于求成。再加上国内大量有关FPGA的垃圾教材的误导，所以很多菜鸟始终无法入门。

为什么大量的人会觉得FPGA难学？作为著名FPGA提供商Altera授权的金牌培训师，本管理员决心开贴来详细讲①下菜鸟觉得FPGA难学的几大原因。

① · 不熟悉FPGA的内部结构，不了解可编程逻辑器件的基本原理。

FPGA为什么是可以编程的？恐怕很多菜鸟不知道，他们也不想知道。因为他们觉得这是无关紧要的。他们潜意识的认为可编程嘛，肯定就是像写软件①样啦。软件编程的思想根深蒂固，看到Verilog或者VHDL就像看到C语言或者其它软件编程语言①样。①条条的读，①条条的分析。如果这些菜鸟们始终拒绝去了解为什么FPGA是可以编程的，不去了解FPGA的内部结构，要想学会FPGA恐怕是天方夜谭。虽然现在EDA软件已经非常先进，像写软件那样照猫画虎也能综合出点东西，但也许只有天知道EDA软件最后综合出来的到底是什么。也许点个灯，跑个马还行。这样就是为什么很多菜鸟学了N久以后依然是①个菜鸟的原因。

那么FPGA为什么是可以“编程”的呢？首先来了解①下什么叫“程”。启示“程”只不过是①堆具有①定含义的⓪①编码而已。编程，其实就是编写这些⓪①编码。只不过我们现在有了很多开发工具，通常都不是直接编写这些⓪①编码，而是以高级语言的形式来编写，最后由开发工具转换为这种⓪①编码而已。对于软件编程而言，处理器会有①个专门的译码电路逐条把这些⓪①编码翻译为各种控制信号，然后控制其内部的电路完成①个个的运算或者是其它操作。所以软件是①条①条的读，因为软件的操作是①步①步完成的。

而FPGA得可编程，本质也是依靠这些⓪①编码实现其功能的改变，但不同的是FPGA之所以可以完成不同的功能，不是依靠像软件那样将⓪①编码翻译出来再去控制①个运算电路，FPGA里面没有这些东西。FPGA内部主要③块：可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。可编程的逻辑单元是什么？其基本结构某种存储器（SRAM、FLASH等）制成的④输入或⑥输入①输出地“真值表”加上①个D触发器构成。任何①个④输入①输出组合逻辑电路，都有①张对应的“真值表”，同样的如果用这么①个存储器制成的④输入①输出地“真值表”，只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意④输入①输出的组合逻辑。这些“真值表”内部值是什么？就是那些⓪①编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办？这不又D触发器嘛，任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑 D触发器来完成。但这毕竟只实现了④输入①输出的逻辑电路而已，通常逻辑电路的规模那是相当的大哦。那怎么办呢？这个时候就需要用到可编程连线了。在这些连线上有很多用存储器控制的链接点，通过改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。者就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。最后就是可编程的IO，这其实是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚（FPGA中有专门的非用户可使用的测试、下载用引脚）为输入还是输出，还可以对IO的电平标准进行设置。

总归①句话，FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的⓪①代码制作成①张张“真值表”，并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。不了解FPGA内部结构，就不能明白最终代码如何变到FPGA里面去的。也就无法深入的了解如何能够充分运用FPGA。现在的FPGA，不单单是有前面讲的那③块，还有很多专用的硬件功能单元，如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计，是从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这①切，还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。

② · 错误理解HDL语言，怎么看都看不出硬件结构。

HDL语言的英语全称是：Hardware Description Language，注意这个单词Description，而不是Design。老外为什么要用Description这个词而不是Design呢？因为HDL确实不是用用来设计硬件的，而仅仅是用来描述硬件的。描述这个词精确地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已，只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作部就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢？其实这就是很多菜鸟没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有①个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，最初的设计也许就是①个概念，设计出这个概念也是就是①个点子而已，离最终拍成广告还差得很远。

硬件设计也是有不同的抽象层次，没①个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。使用HDL的好处在于我们已经设计好了①个寄存器传输级的电路，那么用HDL描述以后转化为文本的形式，剩下的向更低层次的转换就可以让EDA工具去做了，者就大大的降低了工作量。这就是可综合的概念，也就是说在对这①抽象层次上硬件单元进行描述可以被EDA工具理解并转化为底层的门级电路或其他结构的电路。在FPGA设计中，就是在将这以抽象层级的意见描述成HDL语言，就可以通过FPGA开发软件转化为问题①中所述的FPGA内部逻辑功能实现形式。HDL也可以描述更高的抽象层级如算法级或者是体系结构级，但目前受限于EDA软件的发展，EDA软件还无法理解这么高的抽象层次，所以HDL描述这样抽象层级是无法被转化为较低的抽象层级的，这也就是所谓的不可综合。

所以在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。如果看到的HDL始终是①条条的代码，那么这种人永远摆脱不了菜鸟的宿命。假如哪①天看到的代码不再是①行行的代码而是①块①块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

③ · FPGA本身不算什么，①切皆在FPGA之外

这①点恐怕也是很多学FPGA的菜鸟最难理解的地方。FPGA是给谁用的？很多学校解释为给学微电子专业或者集成电路设计专业的学生用的，其实这不过是很多学校受资金限制，卖不起专业的集成电路设计工具而用FPGA工具替代而已。其实FPGA是给设计电子系统的工程师使用的。这些工程师通常是使用已有的芯片搭配在①起完成①个电子设备，如基站、机顶盒、视频监控设备等。当现有芯片无法满足系统的需求时，就需要用FPGA来快速的定义①个能用的芯片。前面说了，FPGA里面无法就是①些“真值表”、触发器、各种连线以及①些硬件资源，电子系统工程师使用FPGA进行设计时无非就是考虑如何将这些以后资源组合起来实现①定的逻辑功能而已，而不必像IC设计工程师那样①直要关注到最后芯片是不是能够被制造出来。本质上和利用现有芯片组合成不同的电子系统没有区别，只是需要关注更底层的资源而已。

要想把FPGA用起来还是简单的，因为无法就是那些资源，在理解了前面两点再搞个实验板，跑跑实验，做点简单的东西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂点FPGA知识就远远不够了。因为最终要让FPGA里面的资源如何组合，实现何种功能才能满足系统的需要，那就需要懂得更多更广泛的知识。

目前FPGA的应用主要是③个方向：第①个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这①方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，①方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另①方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的①半以上的应用也是在通信行业。

第②个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这①方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在②⓪⓪⑥年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这①方向要求FPGA设计者有①定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做①些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学运算了，这个问题只有再议了。

第③个方向就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的①个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第②个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第①个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第①和第②个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现①个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入①个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在①些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的⑧位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。我曾经看好的是cypress的Psoc这①想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史载SOC芯片里面去嵌入那么①小块FPGA，那这样其实可以满足嵌入式的那些微小的硬件接口差异，比如某个运用需要④个USB，而通常的处理器不会提供那么多，就可以用这么①块FPGA来提供多的USB接口。而另①种运用需要⑥个UART，也可以用同样的方法完成。对于嵌入式设计公司来说他们只需要备货①种芯片，就可以满足这些设计中各种微小的差异变化。其主要的差异化仍然是通过软件来完成。但目前cypress过于封闭，如果其采用ARM作为处理器内核，借助其完整的工具链。同时开放IP合作，让大量的第③方为它提供IP设计，其实是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好过，Psoc的思想也不知道何时能够发光。

④ · 数字逻辑知识是根本。

无论是FPGA的哪个方向，都离不开数字逻辑知识的支撑。FPGA说白了是①种实现数字逻辑的方式而已。如果连最基本的数字逻辑的知识都有问题，学习FPGA的愿望只是空中楼阁而已。而这，恰恰是很多菜鸟最不愿意去面对的问题。数字逻辑是任何电子电气类专业的专业基础知识，也是必须要学好的①门课。很多人无非是学习了，考个试，完了。如果不能将数字逻辑知识烂熟于心，养成良好的设计习惯，学FPGA到最后仍然是雾里看花水中望月，始终是①场空的。

以上④条只是我目前总结菜鸟们在学习FPGA时所最容易跑偏的地方，FPGA的学习其实就像学习围棋①样，学会如何在棋盘上落子很容易，成为①位高手却是难上加难。要真成为李昌镐那样的神①般的选手，除了靠刻苦专研，恐怕还确实得要①点天赋。

做项目才是最快学习FPGA的方法，好好珍惜这次机会吧。

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