開(kāi)發(fā)板概述

在走近FPGA預(yù)告篇中，我們已經(jīng)提到了系列文章使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，硬木課堂Xilinx Artix 7 FPGA板，如下圖所示。它使用的FPGA芯片型號(hào)為Xilinx Artix-7 XC7A75T，具有電平開(kāi)關(guān)、LED、矩陣鍵盤、數(shù)碼管等基本外設(shè)，同時(shí)還有高速ADC/DAC，音頻Codec，SD卡，32位DDR3L（共1GB）外設(shè)用于SoC設(shè)計(jì)的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，另外，上方的I/O插槽可以直接插入特定型號(hào)的LCD屏幕與攝像頭，極大地方便了圖像處理相關(guān)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

硬木課堂 Xilinx Aritx 7 FPGA板

FPGA 芯片

該FPGA板采用的芯片型號(hào)為XC7A75T，從Xilinx官網(wǎng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以找到7系列FPGA芯片的資源對(duì)比，可以看出75T在所有Artix-7系列的FPGA中資源量屬于中上，雖然相比于100T和200T而言資源量還是少了許多，但是完成基礎(chǔ)的FPGA實(shí)驗(yàn)和進(jìn)階的SoC設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（包括圖像處理相關(guān)）是足夠的。75T和100T, 200T的FPGA芯片是兼容的，硬木課堂同時(shí)還提供有200T的FPGA板，以應(yīng)對(duì)更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

FPGA芯片資源（圖源數(shù)據(jù)手冊(cè)）

Artix-7系列FPGA芯片采用下圖所示的基本可配置邏輯塊（CLB），其中包括6輸入查找表、可選的雙向5輸入查找表、分布式存儲(chǔ)、移位寄存器、高速進(jìn)位算術(shù)邏輯功能以及大量多路復(fù)用器。基本可配置邏輯塊（CLB）是用于實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路和組合電路的主要邏輯資源。每個(gè)CLB都連接到一個(gè)交換矩陣（Switch Matrix），以訪問(wèn)通用路由矩陣。每個(gè)CLB內(nèi)部包含兩個(gè)slice。7系列FPGA中的LUT可以配置為具有一個(gè)輸出的6輸入LUT，也可以配置為具有獨(dú)立輸出但共享地址或邏輯輸入的兩個(gè)5輸入LUT。每個(gè)5輸入LUT輸出都可以選擇在觸發(fā)器中寄存。每個(gè)slice由4個(gè)這樣的6輸入LUT、8個(gè)觸發(fā)器、多路復(fù)用器和算術(shù)運(yùn)算單元構(gòu)成。每片四個(gè)觸發(fā)器可以選擇配置為鎖存器。但在這種情況下，該片中其余的四個(gè)觸發(fā)器必須保持未使用狀態(tài)。

基本可配置邏輯塊結(jié)構(gòu)（圖源數(shù)據(jù)手冊(cè)）

更多關(guān)于FPGA內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)的介紹，可以閱讀《FPGA原理與結(jié)構(gòu)》[日]天野英晴主編，趙謙譯 這本書(shū)，這本書(shū)對(duì)FPGA的內(nèi)部原理闡釋得比較清楚，對(duì)于初學(xué)者也比較友好。另外，如果能夠找到《FPGA設(shè)計(jì)指南-器件、工具和流程》 [美] Clive "Max" Maxfield 著， 杜生海 邢聞 譯 這本書(shū)也不錯(cuò)，感覺(jué)作者的語(yǔ)氣比較幽默，但是似乎已經(jīng)買不到新書(shū)了（略有遺憾）。在《FPGA原理與結(jié)構(gòu)》中文版出版之前我就是看的《FPGA設(shè)計(jì)指南》一書(shū)，都很好地幫助理解FPGA的原理結(jié)構(gòu)，從而更好地利用FPGA學(xué)習(xí)電路設(shè)計(jì)。

下載器+調(diào)試器

在本系列文章使用的FPGA板上的右下方有兩個(gè)接口，如下圖。其中上方的接口（FPGA-Jtag）為FPGA下載接口，通過(guò)該接口下載比特流到FPGA中進(jìn)行配置，功耗較小時(shí)，供電也是PC機(jī)通過(guò)該接口給板卡供電。如果功耗較大，則需要使用FPGA板右上角的輔助供電接口（POWER），可以使用手機(jī)5V充電器給板卡供電。

下載器和調(diào)試器接口

圖中下方的接口（DAP-Jtag）為CMSIS-DAP接口，用于Cortex-M系列內(nèi)核調(diào)試，在搭建基于Cortex-M0的SoC時(shí)，調(diào)試系統(tǒng)是必不可少的，關(guān)于調(diào)試系統(tǒng)的更多內(nèi)容在后續(xù)的文章中有詳細(xì)介紹。為了方便使用，FPGA板在設(shè)計(jì)之初便將調(diào)試電路封裝在板上，預(yù)留出來(lái)一個(gè)JTAG口用于和PC機(jī)通信，這樣做不僅簡(jiǎn)化了對(duì)調(diào)試器內(nèi)部原理的理解需求，而且方便了連線。調(diào)試器部分的端口需要約束的有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)和一個(gè)雙向的數(shù)據(jù)信號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖所示。

調(diào)試器接口原理圖

電平開(kāi)關(guān)和LED

本系列所使用的FPGA板提供了12個(gè)直接由FPGA控制的LED燈LED11-LED0，每一個(gè)LED燈都由FPGA芯片的一個(gè)引腳直接驅(qū)動(dòng)，如圖所示。當(dāng)FPGA的引腳輸出高電平時(shí)LED燈點(diǎn)亮，反之則熄滅。在LED燈旁邊也有12個(gè)電平開(kāi)關(guān)，可以作為輸入信號(hào)，當(dāng)電平開(kāi)關(guān)處在DOWN位置（靠近開(kāi)發(fā)板邊緣）時(shí)向FPGA相應(yīng)引腳輸入低電平，當(dāng)電平開(kāi)關(guān)在UP位置時(shí)向FPGA相應(yīng)引腳輸入高電平，如圖。

電平開(kāi)關(guān)（SW11-SW0）和LED（D11-D0）

開(kāi)關(guān)原理圖

LED原理圖

一個(gè)簡(jiǎn)單的流水燈示例如下（之后的文章也會(huì)講到）。

知乎視頻?www.zhihu.com

4x4矩陣鍵盤

FPGA板帶有一個(gè)4x4的矩陣鍵盤，可以用于一些外界的控制交互，如圖所示。

矩陣鍵盤

矩陣鍵盤原理圖

左側(cè)的KEY1-KEY8信號(hào)分別代表橫豎的4個(gè)端口，分別與FPGA上的4個(gè)輸出端口連接。矩陣鍵盤的工作原理可以舉個(gè)例子說(shuō)明，如果將KEY1設(shè)置為低電平，KEY2-KEY4設(shè)置為高電平，則按下KEY15按鍵后，KEY5端口輸出低電平，松開(kāi)KEY15按鍵后，KEY5端口輸出高電平。唯一需要注意的是，按下按鍵時(shí)信號(hào)存在抖動(dòng)，所以需要設(shè)計(jì)按鍵消抖模塊以免按鍵抖動(dòng)帶來(lái)未預(yù)期的系統(tǒng)錯(cuò)誤。

一個(gè)簡(jiǎn)單的鍵盤控制流水燈的示例。

知乎視頻?www.zhihu.com

數(shù)碼管

FPGA板上配有配有6個(gè)七段數(shù)碼管DIG1-DIG6（當(dāng)正放FPGA開(kāi)發(fā)板時(shí)，從左至右為1-6），每個(gè)數(shù)碼管都由一個(gè)專用片選信號(hào)（DIG1- DIG6）控制，如圖所示。七段數(shù)碼管的每個(gè)引腳均通過(guò)共陰模式連接到 FPGA芯片上，當(dāng)FPGA輸出高電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的字碼段點(diǎn)亮，反之則熄滅。數(shù)碼管的片選信號(hào)也直接與FPGA引腳相連，當(dāng)FPGA輸出低電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管選中，反之則不選中。

數(shù)碼管

數(shù)碼管原理圖

一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，使用數(shù)碼管顯示。

知乎視頻?www.zhihu.com

直插攝像頭和屏幕的IO口

FPGA板上方有3組IO接口，可以用于LCD顯示屏和攝像頭的直插。

3組IO接口

對(duì)于示例中用到的攝像頭和LCD顯示屏，分別可以直接插到右邊和左邊的IO接口組，效果如圖。在我之前寫(xiě)過(guò)的一篇專欄文章中對(duì)使用攝像頭和LCD顯示屏進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程有更多的描述，另外，在后續(xù)系列文章中也會(huì)對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

人生狀態(tài)機(jī)：我們可以用Arm DesignStart開(kāi)放的處理器核做什么?zhuanlan.zhihu.com

攝像頭+顯示屏直插

另外，如果需要連接擴(kuò)展顯示，也可以通過(guò)FPGA板右邊的VGA接口連接擴(kuò)展顯示設(shè)備，VGA接口共有15針，分成3排，每排5個(gè)孔，接口原理圖如下。VGA接口具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn)。VGA接口不但是CRT顯示設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，同樣也是LCD液晶顯示設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口，具有廣泛的應(yīng)用范圍。

通過(guò)VGA接口連接擴(kuò)展顯示設(shè)備

VGA接口原理圖

高速ADC/DAC

FPGA開(kāi)發(fā)板的左上方是高速ADC/DAC芯片，該芯片是來(lái)自 MAXIM公司的超低功耗模擬前端，最高工作頻率達(dá)到20MHz，芯片型號(hào)為Max5865。Max5865集成了雙路的8位ADC以及雙路的10位DAC，其數(shù)字輸出電平為+1.8V至+3.3V（TTL/CMOS兼容），且該芯片的ADC和DAC既可以同時(shí)工作也可以獨(dú)立工作。其關(guān)斷與工作模式由三線的串行接口來(lái)控制。高速ADC/DAC芯片左側(cè)的一組黃色貼片排母IO接口包含兩組ADC輸入接口，分別標(biāo)識(shí)為ADC1和ADC2，還包含兩組DAC輸出接口，分別標(biāo)識(shí)為DAC1和DAC2，可通過(guò)導(dǎo)線與示波器、信號(hào)源等儀器相連進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

ADC DAC接口

音頻和SD卡

FPGA開(kāi)發(fā)板的左下側(cè)載有立體聲多媒體數(shù)字信號(hào)編譯碼器芯片WM8978。WM8978是Wolfson推出的一款全功能音頻處理器，帶有一個(gè)HI-FI級(jí)數(shù)字信號(hào)處理內(nèi)核，支持增強(qiáng)3D硬件環(huán)繞音效，以及5頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質(zhì)。在音頻編譯碼芯片的左側(cè)有兩個(gè)音頻接口，位于上側(cè)的是音頻輸入接口，可通過(guò)音頻連接線連接音頻播放設(shè)備（如手機(jī)）來(lái)輸入音頻信號(hào)，位于下側(cè)的是音頻輸出接口，可以連接耳機(jī)播放音樂(lè)。另外，在FPGA開(kāi)發(fā)板相同位置的背面，還有一個(gè)Micro SD卡的插槽，可放置SD卡。

音頻接口

DDR3L

開(kāi)發(fā)板上FPGA正下方是兩片DDR3L SDRAM存儲(chǔ)器芯片，產(chǎn)自Micron公司。DDR SDRAM的全稱是雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory），其在時(shí)鐘的上升沿和下降沿都能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。DDR3是DDR2的后繼者，提供了相較于DDR2 SDRAM更高的運(yùn)行效能與更低的電壓。而DDR3L的L是Low Voltage的縮寫(xiě)，DDR3的工作電壓為1.5V，而DDR3L工作電壓為1.35V。

DDR3L SDRAM存儲(chǔ)器芯片

開(kāi)發(fā)板上DDR3L SDRAM芯片的型號(hào)為MT41K256M16TW，即一片該DDR3L SDRAM存儲(chǔ)器芯片的深度為256M，寬度為16bit （2Byte），故存儲(chǔ)器容量為512MB（256M×2Byte），兩片DDR3L芯片地址線已經(jīng)連在了一起，相當(dāng)于一片深度不變但數(shù)據(jù)寬度翻倍（32bit）的DDR3L SDRAM，兩片存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成的存儲(chǔ)器總?cè)萘繛?GB。

千兆以太網(wǎng)

在FPGA開(kāi)發(fā)板的右上側(cè)載有千兆以太網(wǎng)PHY芯片以及網(wǎng)口。該芯片為Realtek公司的RTL8211E，支持1000Mbps的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，通過(guò)RGMII接口與FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸時(shí)鐘為125MHz，4bit的發(fā)送數(shù)據(jù)TXD與接收數(shù)據(jù)RXD在時(shí)鐘的上升沿和下降沿采樣。開(kāi)發(fā)版上板載的RTL8211E已配置好RX與TX延遲，工作電壓為3.3V。

千兆以太網(wǎng)

下期預(yù)告

本期文章介紹了[走近FPGA]系列所使用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，下方為板子的鏈接。下期文章將介紹相關(guān)開(kāi)發(fā)工具的使用，敬請(qǐng)期待。

硬木課堂 Xilinx Aritx 7 FPGA板 Arm Cortex-M SoC設(shè)計(jì) 集創(chuàng)賽?item.taobao.com

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的fpga供电电压偏低会怎样_[走近FPGA]之开发板介绍篇的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。