如何使用FPGA打造VGA顯卡

介紹設(shè)計(jì)電路板的過(guò)程，包括基本步驟和技術(shù)，以及FPGA的應(yīng)用和發(fā)展方向。

FPGA（可編程門陣列）是一種功能強(qiáng)大的電子設(shè)備，它由多個(gè)邏輯塊通過(guò)互連線連接在一起。通過(guò)按需連接邏輯塊，可以創(chuàng)建簡(jiǎn)單或復(fù)雜的電路。你可以將FPGA想象成一個(gè)大盒子里的樂(lè)高積木，可以按照你的意愿組合出各種類型的數(shù)字電路，從簡(jiǎn)單的異或門（XOR）到中央處理器（CPU），甚至整個(gè)系統(tǒng)（如果你有足夠的資金購(gòu)買最大規(guī)模的設(shè)備）。

FPGAs已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，其中之一就是模擬舊系統(tǒng)。MiSTer就是一個(gè)例子，Jeri Ellsworth的C-One是另一個(gè)例子。但事實(shí)上，F(xiàn)PGAs無(wú)處不在，它們快速、穩(wěn)定，并且適應(yīng)大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景。

本文分享一個(gè)建造電路板原型的經(jīng)歷，希望能幫助到大家。

1 設(shè)計(jì)電路板

在這個(gè)原型中，使用的是賽靈思（Xilinx）的Spartan 7系列FPGA。他們的XC7S6型號(hào)是最便宜的，擁有6,000個(gè)邏輯單元和100個(gè)I/O引腳供使用。FTGB196版本具有1mm的引腳間距，尺寸為15mm × 15mm，足夠大，易于操作。

FPGAs需要多種不同的電壓。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，將I/O引腳的工作電壓設(shè)置為3.3V（因?yàn)檫@對(duì)于業(yè)余愛(ài)好者來(lái)說(shuō)比較標(biāo)準(zhǔn)），但還需要提供5V、1.8V和1.0V的電壓。這意味著需要處理4種不同的電壓！這些電路的設(shè)計(jì)可以在網(wǎng)上找到。基本上每個(gè)電壓都需要一個(gè)芯片形式的穩(wěn)壓器和幾個(gè)平滑電容器，一旦被設(shè)計(jì)好，你就可以在后續(xù)的設(shè)計(jì)中重復(fù)使用它們。

這里使用KiCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)。

FPGA本身是一個(gè)復(fù)雜的組件，它具有許多引腳，并按照不同的組織方式分為各種引腳組。FPGA可以被看作是一個(gè)整體的元件，但它也可以被分解為子元件。幸運(yùn)的是，KiCAD提供了這個(gè)功能，這非常有用。這意味著你可以在多個(gè)圖紙上同時(shí)顯示FPGA，且只顯示與該圖紙相關(guān)的部分。通過(guò)這種方式可以保持圖紙的整潔和清晰。

在第一塊板上，沒(méi)有太多其他的組件。這里設(shè)計(jì)了一塊焊盤，用于連接一些存儲(chǔ)器，這次選擇了SRAM。在電路方面，SRAM所需的電路非常簡(jiǎn)單。另外還有一個(gè)USB到UART芯片，它也相對(duì)簡(jiǎn)單。然而，要找到具有正確焊盤的芯片并不容易。最終，費(fèi)了一番周折才找到了一些合適的芯片。

最后，還有一個(gè)Pmod連接器。這是Digilent（一家FPGA制造商）的標(biāo)準(zhǔn)配置，用于外圍設(shè)備。這里找到了一些插座的焊盤。

2 焊接BGA

FPGA通常采用球網(wǎng)陣列封裝（Ball Grid Array，簡(jiǎn)稱BGA），其底部沒(méi)有引腳或腿，而是一些小小的焊球。將FPGA連接到電路板的常見(jiàn)方法是通過(guò)回流焊爐進(jìn)行烘烤。這是目前大多數(shù)電子產(chǎn)品的組裝方式。

通常情況下，最好是將整個(gè)制造過(guò)程交給專業(yè)制造商完成。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，需要考慮到機(jī)器人焊接，然后將其發(fā)送給擁有大型貼片機(jī)和大型烤箱的電路板廠，這樣工作就完成了。然而，這種方法成本較高，通常僅適用于大批量訂單。對(duì)于愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，BGA封裝是一個(gè)挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，市面上有許多便宜或改裝的焊爐可用。這里購(gòu)買了一臺(tái)價(jià)格便宜的焊爐——廣受愛(ài)好者喜愛(ài)的T962A回流焊爐。

在進(jìn)行回流焊接時(shí)，需要使用焊膏。焊膏是一種灰色的粘稠物，其中含有微小的焊球。加熱后，焊膏會(huì)熔化并流動(dòng)，通過(guò)毛細(xì)作用完成剩余的焊接工作。但首先，需要將焊膏涂抹在電路板上的焊盤上。常見(jiàn)的方法是使用金屬薄膜模板，這些模板相當(dāng)昂貴。

這里找到了一個(gè)位于英國(guó)的供應(yīng)商，他們?cè)敢馐褂眉す馇懈罹埘ケ∧ぷ鳛樘娲?。雖然聚酯薄膜并不是最理想的選擇，但對(duì)于單個(gè)元件來(lái)說(shuō)效果還不錯(cuò)。這里決定只回流焊接FPGA，以保持簡(jiǎn)單。其他部分可以很容易地手動(dòng)焊接。

使用這種方法，能學(xué)到一個(gè)訣竅——如果你使用鍍鋁膜，一定要在口罩上使用圓形圖案，而不是激光切割小矩形并讓它們彼此靠近。薄薄的鍍鋁薄膜無(wú)法承受刮擦，否則焊膏會(huì)四處飛濺。

焊接之前將FPGA放置在焊膏上是非常令人緊張的一步。我發(fā)現(xiàn)在溫度圖上畫一個(gè)倒置的“V”形對(duì)于回流焊接FPGA效果不錯(cuò)。數(shù)據(jù)手冊(cè)列出了推薦的曲線和溫度，而這個(gè)曲線應(yīng)該最符合要求。

3 手工焊接和錯(cuò)誤

大多數(shù)元件都是2012封裝（舊貨幣中的0805）。通常，進(jìn)行手工焊接需要先在一個(gè)焊盤上涂上焊錫，在熔化焊錫的同時(shí)放置元件，讓它固定，然后再焊接另一個(gè)焊盤。較大的元件通常需要經(jīng)過(guò)焊錫、焊劑、焊錫帶三個(gè)步驟。也可以將所有引腳涂上焊錫，然后去除多余的焊錫，據(jù)說(shuō)這種方法效果非常好。有時(shí)你可能會(huì)看到一些焊點(diǎn)乍看起來(lái)是正確的，但實(shí)際上并沒(méi)有連接。因此，反復(fù)再次檢查非常重要，可以使用一把放大鏡仔細(xì)檢查焊點(diǎn)。

4 用Pmod進(jìn)行圖形處理

當(dāng)所有焊接完成并經(jīng)過(guò)測(cè)試后，可以使用一個(gè)小型JTAG電纜對(duì)FPGA進(jìn)行編程。首先要做的是點(diǎn)亮一個(gè)LED。借助賽靈思的Vivado軟件，你可以構(gòu)建小型設(shè)計(jì)，將其燒錄到FPGA上。

一旦LED成功閃爍，下一步就是嘗試一些VGA（視頻圖形陣列）。盡管VGA是一項(xiàng)舊技術(shù)，但它非常可靠。由于它是模擬信號(hào)，所以需要更多的元件。幸運(yùn)的是，數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)Digilent的VGA Pmod來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)小巧可愛(ài)的板子只需插入電路板上的兩個(gè)Pmod連接器即可。剩下的就是生成正確的數(shù)字信號(hào)。

幸運(yùn)的是，威爾在這方面已經(jīng)做了大量工作。你可以看看他關(guān)于FPGA圖形處理的驚人系列文章。借助他的代碼，你可以燒錄FPGA。

5 未來(lái)研究方向

FPGA是非常神奇的設(shè)備。然而，硬件確實(shí)很復(fù)雜，雖然我們可以在軟件中設(shè)計(jì)很多東西，但仍然存在許多潛在的錯(cuò)誤。特別是在FPGA硬件調(diào)試方面有一些困難，因?yàn)橐坏┖附由先?，就無(wú)法再進(jìn)行測(cè)試，也無(wú)法輕松取下來(lái)重試。雖然你可以使用測(cè)試探針接觸它并測(cè)試信號(hào)，但FPGA處理的許多信號(hào)都非?？焖偾揖哂袠O高的帶寬。

現(xiàn)在你掌握了一些基礎(chǔ)知識(shí)，但還有許多其他方面可以研究，例如內(nèi)存、外設(shè)、音頻和更好的圖像，這需要時(shí)間來(lái)探索和實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，當(dāng)最終獲得成功時(shí)，所有的努力都是值得的！?

審核編輯：黃飛

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