【從零開始走進FPGA】隨心所欲

關(guān)鍵詞： FPGA , CPLD , DIY

　　就算你代碼再怎么牛逼，硬件描述語言再怎么熟練，沒有認(rèn)知FPGA的工作原理，一切都是浮云。因此，在真正開始實戰(zhàn)演練之前，Bingo將首先介紹FPGA最小工作配置要求，以及一些基本的外設(shè)，并通過DIY  CPLD/FPGA系統(tǒng)板案例的分析講解，用淺顯易懂的語言，讓初學(xué)者深刻認(rèn)識CPLD/FPGA的工作原理，能夠有一個更深刻的軟硬件思維。
　　一、Altium Designer 09 winter 軟件介紹
　　

　　Layout的軟件有很多，包括Altium Designer、PADS、Cadence等。Altium  Designer是入門比較簡單，也在一些基本場合應(yīng)用較多的軟件。國內(nèi)大學(xué)生，很大一部分上都應(yīng)用了這款軟件，此處以此為平臺設(shè)計CPLD/FPGA系統(tǒng)板。由于本軟件不是本書的主要內(nèi)容，因此如何安裝在此處略去。
　　二、Altium Designer 09 winter 軟件使用
　　Altium Designer軟件已更新到2010，由于Bingo長期使用09版本，故本書中以Winter  09作為Layout平臺，不再添加新版本描述的累贅。以下是Bingo發(fā)現(xiàn)或者總結(jié)的關(guān)于Altium  Designer的部分精髓，如果您是一個初學(xué)者，請仔細(xì)看每一篇博文，希望對你有用：
　　(1)Altium Designer Winter 09 Rulse Design：
　　
　　
　　(2)Altium Designer 發(fā)現(xiàn)的機密
　　
　　
　　(3)TMD的Altium Designer的***功能：
　　  
　　對于本章節(jié)關(guān)于Layout的闡述，都建立在Altium Designer winter 09平臺， 以及Bingo DIY  元件庫Crazy_PCB.lib。此庫為Bingo大學(xué)2年Layout的項目經(jīng)驗，通過點點滴滴的積累下來的DIY  封裝庫，所有元件都通過測試，并且應(yīng)用在多項項目中，下載地址為：
　　?id=86259
　　

　　讀者若有興趣，可以自行下載;若有問題，可以聯(lián)系Bingo，隨時更新庫文件。
　　最后，推介一個PCB Layout的知名論壇，希望對PCB學(xué)習(xí)者有用：
　　三、Step By Step DIY CPLD核心板
　　再怎么牛逼的代碼設(shè)計能力，作為一個硬件工程師，如果自己不會設(shè)計版圖，或者說完全不懂硬件平臺的架構(gòu)，而是以購買人家的系統(tǒng)板作為平臺，相應(yīng)的在上面實現(xiàn)功能，這未免有太大的依賴性;同時，對于創(chuàng)造發(fā)揮也有一定的局限性。在公司可以有嚴(yán)格的分工，固定員工負(fù)責(zé)某部分的技術(shù)。但對于電子信息的初學(xué)者而言，就算你一味寫代碼，了解或者掌握基礎(chǔ)的硬件設(shè)計，將會對軟件有更深刻的理解和構(gòu)思，所謂“硬件是軟件的平臺”，沒有平臺，靈魂沒有肉體。
　　以下是Bingo在學(xué)習(xí)過程中的兩個小設(shè)計，借此以淺俗易懂的語言，介紹CPLD/FPGA的工作原理以及核心系統(tǒng)版設(shè)計，希望對讀者有一定的幫助。
　　1. EPM240T100C5N 引腳介紹
　　MUX II數(shù)據(jù)手冊下載地址：
　　EPM240T100C5N IC 引腳介紹：
　　

　　2. EPM240T100C5N 工作條件
　　(1)VCC = 3.3V， GND = 0V
　　(2)4個CLK全局時鐘接口至少有一個輸入作為驅(qū)動時鐘
　　(3)JTAG接口，用來燒錄代碼
　　注意：MUX II 可以不用外部晶振，因為MUX II  內(nèi)部有一塊UFM，可作為內(nèi)部晶振，能夠達到10M的頻率(不是很準(zhǔn)確)，具體再次不做闡述。
                               
                　　3. EPM240T100C5N 核心板設(shè)計
　　(1)電源模塊
　　a) 由于CPLD內(nèi)核工作需要3.3V電壓，因此電源模塊需要能提供3.3V電源，由AMS1117-3.3直接產(chǎn)生，供給FPGA  VCCIO。電路圖如下所示：
　　

　　b) 由于PLD工作頻率之高，為了得到更穩(wěn)定的時候，更穩(wěn)定的工作狀態(tài)，提供更穩(wěn)定的電源，需要在每個VCC接口下拉一個104的電容。如下圖所示：
　　

　　關(guān)于并聯(lián)電容有如下作用：
　　

　　此處為去耦電容，去藕電容就是起到高頻信號提供回流路徑，就是去除高頻耦合，滿足驅(qū)動電路電流的變化，避免相互間的耦合干擾  ;同時也有濾波的作用(根據(jù)TI的模擬設(shè)計方案，若是幾百兆的頻率工作，最好同時并聯(lián)103一下的電容，已達到更好的狀態(tài))。
　　(2)時鐘模塊
　　時鐘是CPLD工作的必須條件(除非在要求不高的場合，使用內(nèi)部UFM)，用50MHz的晶振產(chǎn)生時鐘源，供給CPLD，作為驅(qū)動時鐘。其電路如下所示：
　　

　　(3)復(fù)位模塊
　　考慮到電路的穩(wěn)定性，工作的可控性，在電路板中一般都設(shè)定復(fù)位模塊，來實現(xiàn)硬件的異常復(fù)位或者重新開始工作。具體電路圖如下所示：
　　

　　注意：復(fù)位信號與CPLD的全局時鐘輸入IO相連，這并不意味著只能連全局時鐘，只是全局時鐘連接能夠達到更大的同步性以及可控性，而一般IO是具有局部性，在時序要求相當(dāng)嚴(yán)格的場合，這樣更保險。
　　(4)JTAG模塊
　　保證一個模塊的運行，這理所當(dāng)然需要一個靈魂。而這個靈魂的通道，就是JTAG接口。JTAG和PC通信，燒錄配置信息。具體電路圖如下所示：
　　

　　4. CPLD核心板Layout注意事項
　　(1)每一個VCC的去耦電容要盡可能靠近端口，以達到更好的去耦效果
　　(2)JTAG接口4條信號線，大致保持等長，保證信號完備性
　　(3)晶振盡可能靠近IC，CLK輸入信號線不能與IO信號線平行
　　(4)電源盡量做到數(shù)模隔離，減少干擾
　　(5)必要時加上防短路電路
　　5. CPLD核心板實物圖
　　若有需要參考原理圖的讀者，請下載Bingo設(shè)計的原理圖，下載地址為：
　　?id=86263
　　

　　注：原理圖見附件。
　　四、Step By Step DIY FPGA系統(tǒng)板
　　1. EP2C8Q208C8N 引腳 介紹
　　Cyclone II數(shù)據(jù)手冊下載地址：
　　EPM2C8Q208C8 引腳介紹：
　　

　　相對于CPLD而言，此款型號FPGA出了引腳上增多外，多了1.2V內(nèi)核電壓，ASP接口，兩個鎖相環(huán)，以及配置方式選擇引腳 MSEL。
　　2. EP2C8Q208C8N 工作條件
　　(1)VCC1 = 3.3V，VCC2 = 1.2V， GND = 0V
　　(2)8個CLK全局時鐘接口至少有一個輸入作為驅(qū)動時鐘
　　(3)JTAG接口，用來配置FPGA
　　(4)ASP接口，用來燒錄EPCS
　　(5)MSEL，用來選擇工作模式(同時接地為JTAG+ASP模式)
　　注意1：(4)不是必須的，可以間接通過JTAG下載jic文件來配置EPCS。
　　注意2：對于Cyclone IV器件而言，除了IO，PLL增加以外，另需2.5V芯片工作電壓;以及JTAG保護電路。
                               
                　　3. EP2C8Q208C8N 系統(tǒng)板設(shè)計
　　(1)電源模塊
　　相對于CPLD而言，此款型號FPGA增添了1.2V電壓產(chǎn)生電路，作為內(nèi)核電壓。具體電路圖如下所示：
　　

　　(2)時鐘模塊
　　同CPLD模塊，此處不做過多闡述。
　　(3)復(fù)位模塊
　　同CPLD模塊，此處不做過多闡述。
　　(4)JTAG模塊
　　同CPLD模塊，此處不做過多闡述。
　　(5)ASP模塊
　　ASP模塊作為燒錄pof文件到EPCS中的通道，也是PC通信的接口。具體電路圖如下所示(ASP+JTAG)：
　　

　　(6)PLL模塊
　　本款芯片內(nèi)置2個PLL，用來鎖相，來產(chǎn)生復(fù)合要求的頻率，增加頻率穩(wěn)定性和可靠性。具體電路圖如下所示：
　　

　　(7)EPC4 模塊
　　EPCS4用來存儲pof文件信息，用來配置FPGA，相當(dāng)于單片機中的flash，用來存儲啟動代碼。
　　

　　以上(1)到(7)便是FPGA最小系統(tǒng)版配置，以下是作為系統(tǒng)板外圍配置介紹。本例中以具備SDRAM，SRAM，UART等電路的系統(tǒng)板為題材，其余外設(shè)的具體電路圖介紹如下：
　　(8)按鍵，LED模塊
　　按鍵是設(shè)備用戶控制接口，作為人機交互接口;LED是指示燈顯示信號，作為工作狀態(tài)的反饋信號。具體電路圖如下所示：
　　

　　(9)串口通信模塊
　　串口通信模塊作為與PC的通信接口，通過純硬件描述語言描述協(xié)議或者UART  IP核的應(yīng)用，來完成硬件與PC機的通信，人機交互的終端。具體電路圖如下所示：
　　

　　(10)VGA接口模塊
　　VGA 15  PIN接口是專用于VGA視頻信號的驅(qū)動的。由于FPGA的高速，高精度，VAG的驅(qū)動是FPGA最擅長的功能之一。此模塊同時采用AD7120KST50視頻轉(zhuǎn)換芯片，把16bit數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為RGB565信號，從而在硬件上實現(xiàn)了真彩顯示的要求。具體電路圖如下所示：
　　

　　(11)SDRAM存儲模塊
　　此模塊作為FPGA片上系統(tǒng)(SOPC)的內(nèi)存，同時也可以作為VGA顯示的顯存，總之有大容量存儲功能，主要完成FPGA海量數(shù)據(jù)的存儲和搬運。具體電路圖如下所示：
　　

　　(12)SRAM存儲模塊
　　SRAM是掉電丟失存儲芯片，一般用來作為液晶顯存，配合VGA刷屏工作;同時在片上系統(tǒng)中，在容量大小滿足的情況下，也可以作為內(nèi)存使用。本設(shè)計中為了擴大SRAM內(nèi)存，用兩片SRAM串聯(lián)的形式來達到目的。具體電路圖如下所示：
　　

　　注意：沒有用nand  flash的原因，是因為EPCS4，EPCS16對于一般的片上系統(tǒng)而言，已經(jīng)足夠滿足了代碼的容量，因此，對于一般應(yīng)用，可以省略該IC，降低成本。
　　4. FPGA系統(tǒng)板Layout注意事項
　　(1)每一個VCC的去耦電容要盡可能靠近IO，來達到更好的去耦效果
　　(2)JTAG 接口4條信號線要大致等長，以保證時序的準(zhǔn)確性
　　(3)ASP接口信號線要大致等長，以保證時序的準(zhǔn)確性
　　(4)EPCS信號線與FPGA之間的連線要等長，以保證時序的準(zhǔn)確性
　　(5)晶振盡可能靠近IC，CLK輸入信號線不能與IO信號線平行
　　(6)電源盡量做到數(shù)模隔離，減少干擾
　　(7)必要時在電源輸入加上反接電源。
　　(8)按鍵輸入可以接在全局時鐘CLK上，在節(jié)約IO的基礎(chǔ)上，滿足信號的同時性。
　　(9)SDRAM數(shù)據(jù)線，地址線保持基本等長，以保證時序的準(zhǔn)確性。
　　(10)SRAM數(shù)據(jù)線，地址線保持基本等長，以保證時序的準(zhǔn)確性。
　　(11)ADV7120信號線要求等長，保證RGB565信號的完善。
　　5. FPGA系統(tǒng)板實物圖
　　若有需要參考原理圖的讀者，請下載Bingo設(shè)計的原理圖，下載地址為：?id=86263
　　

　　Cyclone II
　　

　　Cyclone III