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就算你代碼再怎么牛逼，硬件描述語言再怎么熟練，沒有認知FPGA的工作原理，一切都是浮云。因此，在真正開始實戰演練之前，Bingo將首先介紹FPGA最小工作配置要求，以及一些基本的外設，并通過DIY CPLD/FPGA系統板案例的分析講解，用淺顯易懂的語言，讓初學者深刻認識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用較多的軟件。國內大學生，很大一部分上都應用了這款軟件，此處以此為平臺設計CPLD/FPGA系統板。由于本軟件不是本書的主要內容，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發現或者總結的關于Altium Designer的部分精髓，如果您是一個初學者，請仔細看每一篇博文，希望對你有用： (1)Altium Designer Winter 09 Rulse Design： http://blog.chinaaet.com/detail/16592.html http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2011/02/21/1959864.html (2)Altium Designer 發現的機密 http://blog.chinaaet.com/detail/11114.html http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2010/07/29/1788161.html (3)TMD的Altium Designer的自我閹割功能： http://blog.chinaaet.com/detail/18161.html http://www.cnblogs.com/crazybingo/archive/2011/03/10/1979418.html 對于本章節關于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2年Layout的項目經驗，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，并且應用在多項項目中，下載地址為： http://www.chinaaet.com/lib/detail.aspx?id=86259 讀者若有興趣，可以自行下載;若有問題，可以聯系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學習者有用：http://www.pcbbbs.com/ 三、Step By Step DIY CPLD核心板 再怎么牛逼的代碼設計能力，作為一個硬件工程師，如果自己不會設計版圖，或者說完全不懂硬件平臺的架構，而是以購買人家的系統板作為平臺，相應的在上面實現功能，這未免有太大的依賴性;同時，對于創造發揮也有一定的局限性。在公司可以有嚴格的分工，固定員工負責某部分的技術。但對于電子信息的初學者而言，就算你一味寫代碼，了解或者掌握基礎的硬件設計，將會對軟件有更深刻的理解和構思，所謂“硬件是軟件的平臺”，沒有平臺，靈魂沒有肉體。 以下是Bingo在學習過程中的兩個小設計，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版設計，希望對讀者有一定的幫助。 1. EPM240T100C5N 引腳介紹 MUX II數據手冊下載地址：http://www.altera.com.cn/literature/lit-max2.jsp 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 內部有一塊UFM，可作為內部晶振，能夠達到10M的頻率(不是很準確)，具體再次不做闡述。 3. EPM240T100C5N 核心板設計 (1)電源模塊 a) 由于CPLD內核工作需要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，為了得到更穩定的時候，更穩定的工作狀態，提供更穩定的電源，需要在每個VCC接口下拉一個104的電容。如下圖所示： 關于并聯電容有如下作用： 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TI的模擬設計方案，若是幾百兆的頻率工作，最好同時并聯103一下的電容，已達到更好的狀態)。 (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，使用內部UFM)，用50MHz的晶振產生時鐘源，供給CPLD，作為驅動時鐘。其電路如下所示： (3)復位模塊 考慮到電路的穩定性，工作的可控性，在電路板中一般都設定復位模塊，來實現硬件的異常復位或者重新開始工作。具體電路圖如下所示： 注意：復位信號與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，在時序要求相當嚴格的場合，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設計的原理圖，下載地址為： http://www.chinaaet.com/lib/detail.aspx?id=86263 注：原理圖見附件。 四、Step By Step DIY FPGA系統板 1. EP2C8Q208C8N 引腳 介紹 Cyclone II數據手冊下載地址：http://www.altera.com.cn/literature/lit-cyc2.jsp 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內核電壓，ASP接口，兩個鎖相環，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 系統板設計 (1)電源模塊 相對于CPLD而言，此款型號FPGA增添了1.2V電壓產生電路，作為內核電壓。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 本款芯片內置2個PLL，用來鎖相，來產生復合要求的頻率，增加頻率穩定性和可靠性。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最小系統版配置，以下是作為系統板外圍配置介紹。本例中以具備SDRAM，SRAM，UART等電路的系統板為題材，其余外設的具體電路圖介紹如下： (8)按鍵，LED模塊 按鍵是設備用戶控制接口，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議或者UART IP核的應用，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視頻信號的驅動的。由于FPGA的高速，高精度，VAG的驅動是FPGA最擅長的功能之一。此模塊同時采用AD7120KST50視頻轉換芯片，把16bit數字信號轉換為RGB565信號，從而在硬件上實現了真彩顯示的要求。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(SOPC)的內存，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海量數據的存儲和搬運。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;同時在片上系統中，在容量大小滿足的情況下，也可以作為內存使用。本設計中為了擴大SRAM內存，用兩片SRAM串聯的形式來達到目的。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而言，已經足夠滿足了代碼的容量，因此，對于一般應用，可以省略該IC，降低成本。 4. FPGA系統板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，以保證時序的準確性 (3)ASP接口信號線要大致等長，以保證時序的準確性 (4)EPCS信號線與FPGA之間的連線要等長，以保證時序的準確性 (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，在節約IO的基礎上，滿足信號的同時性。 (9)SDRAM數據線，地址線保持基本等長，以保證時序的準確性。 (10)SRAM數據線，地址線保持基本等長，以保證時序的準確性。 (11)ADV7120信號線要求等長，保證RGB565信號的完善。 5. FPGA系統板實物圖 若有需要參考原理圖的讀者，請下載Bingo設計的原理圖，下載地址為：http://www.chinaaet.com/lib/detail.aspx?id=86263 Cyclone II Cyclone III |
