Digilent Nexys3 FPGA開(kāi)發(fā)板評測（一）

　　FPGA即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，屬于可編程邏輯器件的一種。隨著(zhù)工藝的進(jìn)步和EDA設計工具的不斷發(fā)展，FPGA已經(jīng)成為實(shí)現數字系統的主流平臺之一。FPGA的集成度越來(lái)越高，功耗和成本卻在降低，所以其應用領(lǐng)域也越來(lái)越廣。對于硬件工程師來(lái)說(shuō)，器件的選型和資源評估變得更重要。

　　當我們要選擇FPGA開(kāi)發(fā)板的時(shí)候，首先要問(wèn)的問(wèn)題是我們能得到什么以及我們準備用它來(lái)做什么?對于初學(xué)者來(lái)說(shuō)FPGA是令人生畏的，不過(guò)如果有一個(gè)好的開(kāi)發(fā)板能達到事半功倍的效果，會(huì )發(fā)現入門(mén)并不困難。接下來(lái)我們來(lái)看看Digilent公司推出的Nexys3開(kāi)發(fā)板。

　　Nexys3是基于Xilinx公司新一代的Spartan6 系列FPGA的數字開(kāi)發(fā)平臺。Spartan6采用可靠的低功耗45nm 9層金屬布線(xiàn)雙層氧化工藝技術(shù)，實(shí)現了低風(fēng)險、低成本、低功耗以及高性能的完美平衡，最大密度能達到15萬(wàn)個(gè)邏輯單元。Spartan6系列內置了豐富的系統級模塊包括第二代DSP48A1 Slices、SDRAM控制器、增強型混合時(shí)鐘管理模塊、SelectIOTM技術(shù)、功率優(yōu)化的高速串行收發(fā)器、PCI Express兼容端點(diǎn)模塊等等，這些優(yōu)異特性為替代定制ASIC產(chǎn)品提供了低成本的易行的可編程方案。Spartan6 系列的高性?xún)r(jià)比特別適合于以消費類(lèi)為導向的DSP設計以及對成本敏感的嵌入式應用，如在汽車(chē)娛樂(lè )電子，液晶顯示和視頻監視解析等方面。

　　Digilent公司是一家在FPGA、微處理技術(shù)領(lǐng)域具備頂尖設計、制造水平的公司。產(chǎn)品遍布全球70多個(gè)國家、2000多所大學(xué)。此次推出的Nexys3開(kāi)發(fā)板是一款Spartan6系列FPGA的入門(mén)級開(kāi)發(fā)平臺，我們來(lái)看看還能從它上面得到什么：

　　主芯片Xilinx Spartan6 XC6LX16-CSG324

　　16M字節 Micron公司的 Cellular RAM

　　16M字節 Micron公司的 并行PCM

　　16M字節 Micron 公司的Quad-mode SPI 串行PCM

　　10/100 Ethernet

　　USB-UART

　　A型USB接口，可以接鼠標、鍵盤(pán)和記憶棒

　　8位RGB信號 VGA 接口

　　100MHz 晶振

　　4個(gè)2x6 引腳PmodTM低速連接器

　　1個(gè)68 引腳VHDCI高速擴展連接器

　　8個(gè)撥碼開(kāi)關(guān), 4個(gè)按鈕

　　4個(gè)7段數碼管, 8個(gè) LED

　　1個(gè) USB 接口提供電源、程序燒錄和數據傳輸

　　詳細介紹

　　1.拿到Nexys3的套件只有一塊PCB板和一根USB micro下載線(xiàn)。第一次接觸心里會(huì )有疑問(wèn)，這也太簡(jiǎn)單了，這樣就能工作了。

　　Nexys3的供電、編程和數據傳輸能通過(guò)一個(gè)USB接口完成。USB接口能提供500mA電流，能夠提供Nexys3大部分的應用需求，如果連接器連接太多外設，也可以通過(guò)電源插口(J10)外部直流供電。

　　Nexys3的手冊等資料可以在Digilent官網(wǎng)免費下載，值得一提的是Digilent提供了Nexys3的全套電路圖，對于想了解和著(zhù)手Spartan6系列FPGA芯片的電路設計是一個(gè)非常好的參考。

　　2.主芯片Xilinx Spartan6 XC6LX16CSG324

　　Spartan6主要分兩種系列LX和LXT。其中LX系列沒(méi)有內嵌PCI-Express兼容端點(diǎn)模塊和高速串行收發(fā)器模塊。XC6LX16CSG324有將近15000個(gè)邏輯單元，采用了點(diǎn)距更小的Chip Scale封裝，能提供多達232個(gè)可使用I/O。

　　XC6LX16CSG324位于PCB的中心，所有的外圍電路都是圍繞它，由于管腳密集，芯片周?chē)仨毩舫鲎銐虻目臻g用于布線(xiàn)。從PCB可以看到配置很多濾波電容，整個(gè)布局對稱(chēng)美觀(guān)。

　　XC6LX16CSG324的I/O資源分為4個(gè)Bank，可以接不同的供電電壓，所以設計時(shí)要綜合考慮管腳的設置和PCB的布局，使得PCB走線(xiàn)距離盡量短和整齊。

　　3.FPGA配置電路

　　FPGA是基于SRAM工藝的，斷電后將會(huì )丟失內部邏輯，所以芯片每次上電必須從外部重新配置FPGA。

　　可以通過(guò)USB PROG口(J3)在線(xiàn)配置FPGA，也可以通過(guò)JTAG口(J7)進(jìn)行配置。

　　可以選擇通過(guò)非易失性存儲器中的文件在上電時(shí)自動(dòng)配置FPGA。Nexys3有3種模式由跳線(xiàn)(J8)選擇：BPI、SPI和JTAG啟動(dòng)模式。

　　BPI啟動(dòng)模式通過(guò)非易失性并行PCM配置FPGA，SPI啟動(dòng)模式通過(guò)非易失性串行PCM配置FPGA，JTAG啟動(dòng)模式通過(guò)USB HID HOST(J4)連接的閃存配置FPGA。

　　4.存儲模塊

　　Nexys3上一共有3種存儲器：16MB的Cellular Ram(Micron M45W8MW16)，16MB的并行PCM(Micron NP8P128A13T1760E)，16MB的串行PCM(Micron NP5Q128A13ESFC0E)。

　　Cellular Ram是一種結合了SRAM和DRAM優(yōu)點(diǎn)的存儲器件，具有低功耗和高速讀寫(xiě)數據的優(yōu)點(diǎn)，可以配置成同步模式或者異步模式。同步模式時(shí)讀寫(xiě)周期達到70ns，異步模式時(shí)總線(xiàn)速率80MHz。

　　非易失性相變存儲器PCM是一種結合了Flash、EEPROM和RAM的優(yōu)點(diǎn)的存儲器件。能進(jìn)行位讀寫(xiě)，不需要塊擦出操作，反復讀寫(xiě)次數更多，數據保存時(shí)間更長(cháng)。

　　Cellular Ram和并行PCM是共用數據和地址總線(xiàn)，從Nexys3我們也可以看到者兩者布局是放在一起的。

　　串行PCM支持Quad-mode，Dual-mode和標準的SPI總線(xiàn)傳輸協(xié)議。

　　5.電源

　　Nexys3采用了Linear公司的DC-DC芯片(LTC3633 和LTC3619)，產(chǎn)生3.3V、2.5V、1.8V以及1.2V四路電壓，最大能承受15V輸入電壓。

　　供電方式有3種：USB、外部電源和鋰電池，通過(guò)跳線(xiàn)(JP1)選擇。

　　跳線(xiàn)J11可以接外部鋰電池供電，注意鋰電池和外部電源輸入是并聯(lián)起來(lái)，所以不能同時(shí)接外部電源和鋰電池。

　　6.時(shí)鐘

　　Nexys3有一個(gè)100M CMOS晶體振蕩器。FPGA的時(shí)鐘輸入一定要分配在全局時(shí)鐘引腳。

　　XC6LX16CSG324內置了2個(gè)時(shí)鐘管理邏輯片，每個(gè)邏輯片包含2個(gè)數字時(shí)鐘管理模塊和4個(gè)PLL模塊，可以靈活產(chǎn)生各種需要的時(shí)鐘信號。

　　7.USB PROG接口

　　Nexys3上有一個(gè)Micro USB接口(J3)，編程、傳輸數據和供電都可以通過(guò)這一個(gè)接口完成。

　　在PCB背面有一個(gè)USB控制芯片，采用的是Cypress公司的高速USB控制器CY7C68013a。該芯片內嵌了8051內核，能支持USB2.0協(xié)議。

　　8.USB A型接口

　　Nexys3上有一個(gè)標準USB A型接口(J4)，它用作USB HID Host接口用來(lái)接鼠標、鍵盤(pán)或者閃存。該接口還不支持Hub功能，只能接一個(gè)鼠標或者一個(gè)鍵盤(pán)。

　　在PCB背面可以看到Nexys3使用了Microchip公司的單片機芯片PIC24FJ192，使它完成作為USB HID HOST的功能。

　　9.USB-UART接口(串口)

　　Nexys3上還有一個(gè)Micro USB接口(J13)，可以用來(lái)與PC機進(jìn)行串口通信。

　　USB轉接芯片選用了FTDI公司的FT232R，這是一款專(zhuān)門(mén)用于USB-UART的單芯片。

　　10.基本I/O

　　Nexys3上包括了8個(gè)開(kāi)關(guān)，表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)的8個(gè)LED燈。一個(gè)4位7段數碼顯示管，5個(gè)按鈕可以控制數碼管的顯示和熄滅。

　　11.以太網(wǎng)口

　　Nexys3選用了SMSC的以太網(wǎng)物理層收發(fā)器芯片LAN8710A，Xilinx的設計工具中提供了以太網(wǎng)MAC控制IP。LAN8710A使用了MII接口并且支持10/100Mb/s。

　　PCB上還提供了一個(gè)RJ45插座。

　　上電時(shí)LAN8710A的默認狀態(tài)為：MII模式接口，100Base-TX，PHY地址為000。

　　12.VGA接口

　　Xilinx的設計工具提供了VGA控制器的IP，在FPGA中可以完成VGA信號的產(chǎn)生，外圍電路簡(jiǎn)單，只需要一些分壓電阻與VGA設備的終端電阻可以產(chǎn)生所需的信號。

　　輸出的VGA信號包括8位RGB顏色信號和2位同步信號，能產(chǎn)生256色的視頻圖像。

　　13.Pmod連接器

　　Nexys3上有4個(gè)Pmod連接器。都是2x6直角100mil插座。每個(gè)插座包括2個(gè)電源信號，2個(gè)低信號和8個(gè)I/O信號。

　　Pmod連接器主要連接一些低速的和引腳不多的外部模塊，需要注意PCB板上到Pmod連接器的信號走線(xiàn)并沒(méi)有考慮阻抗和信號匹配的問(wèn)題。

　　Digilent提供各種各樣的Pmod外圍模塊，設計者可以根據需要靈活的選用，大大提高了擴展性能。

　　14.VHDCI連接器

　　Nexys3上提供一個(gè)68腳VHDCI插座。支持SCSI-3總線(xiàn)傳輸協(xié)議，信號傳輸速率能達到幾百兆。

　　VHDCI包括40個(gè)數據信號，8個(gè)電源信號和20個(gè)地信號。數據信號組成20個(gè)阻抗控制信號對。由于是高速的差分信號布線(xiàn)時(shí)需要注意盡量平行，長(cháng)度相等。

　　FPGA所有與VHDCI信號連接的管腳都處于I/O bank0。跳線(xiàn)(JP8)能選擇I/O bank0的供電為3.3V或者2.5V。

　　15.軟件工具

　　Digilent提供了一個(gè)獨特強大的調試工具Adept?？梢耘渲肵ilinx邏輯器件，初始化掃描鏈，對FPGA，PROM進(jìn)行編程，同時(shí)還具有開(kāi)發(fā)板的自檢校驗功能和I/O擴展功能?？梢栽贒igilent官網(wǎng)免費下載

　　Nexys3完全兼容所有的賽靈思工具，包括免費的WebPackTM，ChipscopeTM，EDKTM(嵌入式處理器設計套件)，以及其他工具。