FPGA及其开发板简介

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在这个开发板上,主要包括以下6个模块:
• FPGA模块 • SDRAM模块 • FLASH模块 • 时钟模块 • 电源模块 • 串行配置模块
FPGA模块
FPGA模块是FPGA系统模块的核心,这个开发板上使 用的FPGA芯片是EP2C5Q208C8N。
EP2C5Q208C8N芯片是Altera公司生产的Cyclone II 系列器件之一。该系列的器件的优势有——用户定义的功 能、领先的性能、低功耗、高密度、低成本、性价比较高, 成为Altera公司在中低FPGA市场中的主力产品。该系列产 品的主要器件有EP2C5、EP2C8、EP2C20、EP2C35、 EP2S15、EP2S30、EP2S60等。
FPGA模块
▪ DCLK(21脚):在PS模式下,DCLK是一个时钟输入脚,是外部器件将配置
数据传送给FPGA的时钟。在AS模式下,DCLK脚是一个时钟输出脚,就是 提供一个配置时钟,直接接到配置芯片的DCLK脚上去。
▪ nCE(22脚):专用输入脚。这个脚是一个低电平有效的片选使能信号。nCE
脚是配置使能脚。在配置初始化以及用户模式下,nCE脚必须置低。
以当全局I/O使能脚,这个脚的功能是:如果它被置低,所有的I/O都进入三态。
▪ INIT_DONE(107脚):I/O脚或漏极开路的输出脚。当这个脚被使能后,该
脚上从低到高的跳变指示FPGA已经进入了用户模式。
▪ nCEO(108脚):I/O脚或输出脚。当配置完成后,这个脚会输出低电平。在
多个器件的配置过程中,这个脚会连接到下一个器件的nCE脚,这个时候, 它还需要在外面接一个10K的上拉电阻到VCC。
FPGA器件
目前生产FPGA器件的主要厂家有Altera、Xilinx、Lattice 等,他们采用的结构体系、处理工艺和编程方法都有所不同。
Altera公司主要FPGA产品有Stratix、StratixII、Cyclone、 Cyclone II、FLEX、APEX系列等 。
Xilinx公司主要FPGA产品有Spartan、Virtex、XC系列等。 Lattice公司主要FPGA产品有EC\ECP系列等。
Am29LV160D主要特点:
▪ 单电源3.0V供电 ▪ 0.23um工艺技术下制造 ▪ 高性能、超低功耗 ▪ 灵活的内部逻辑结构 ▪ 嵌入式算法 ▪ 数据在125摄氏度环境下可以保存20年 ▪ 擦除暂停/擦除恢复引脚 ▪ 硬件复位引脚
FLASH模块
Am29LV160D引脚图:
引脚说明: ▪ A0~A19:20位地址输入 ▪ DQ0~DQ14:15位数据输入/输出 ▪ DQ15/A-1(45脚):DQ15(数据
▪ CONF_DONE(123脚):专用的配置状态脚。双向脚,当它是输出脚时,是
漏极开路的。当作为状态输出脚时,在配置之前和过程中,它都被置为低电 平。一旦配置数据接收完成,并且没有任何错误,初始化周期一开始, CONF_DONE就会被释放。当作为状态输入脚时,在所有数据都被接收后, 要将它置为高电平。之后器件就开始初始化再进入用户模式。它不可以用作 普通I/O来用。这个脚外成也必须接一个10K欧的电阻。
有输入输出数据与时钟上升沿同步。
▪ CKE(37脚):时钟启用。控制内
部时钟信号。
▪ CS(19脚):芯片选择。启用或禁
用所有输入信号,除了CLK,CKE 和DQM。
▪ BA0,BA1(20、21脚):芯片地
址选择。在RAS活动期间选择输入。
▪ RAS(18脚):行地址输入。 ▪ CAS(17脚):列地址输入。 ▪ WE(16脚):允许写操作。 ▪ LDOM、UDQM(15、39脚):控
▪ CLKIN(23脚):时钟输入脚,由FPGA内部的晶振(50MHz)产生。 ▪ CONFIG(26脚):专用的输入脚。这个管脚是一个配置控制输入脚。如果
这个脚在用户模式下被置低,FPGA就会丢失掉它的配置数据,并进入一个 复位状态,并将所有的I/O脚置成三态的。
▪ DEV_OE(56脚):I/O脚或全局I/O使能脚。在Quartus II软件中,这个脚可
简单的说,FPGA是指通过软件手段更改、配置器件内 部连接结构和逻辑单元,完成一定功能的数字集成电路。
FPGA特点、应用
FPGA器件具有以下特点:
• 高密度、高速率、高可靠性 • 标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本 • 设计灵活、可无限次反复编程、可现场模拟调试验证 • 开发工具种类多、智能化、功能强大 • 内嵌CPU或DSP内核,支持软硬件协同设计,可以作为
SDRAM模块
这个模块使用的芯片是HY57V641620HG。 它是64Mbit同步随机存储器,作为FPGA芯片的外围设 备,用于需要大容量和高带宽的存储系统中,该芯片的数据 宽度为16位,容量为4M字(8M字节)。HY57V641620HG 分为4个存储片(bank),每个bank的容量为1M字(2M字 节)。 该芯片有54个引脚。 FPGA正常工作时,外部电路先将配置数据下载到 SDRAM中,然后SDRAM再把接收到的数据发送给FPGA芯 片。它的功能是储存数据,通过它的地址总线(A0~A11)与 数据总线(D0~D15)与FPGA芯片进行数据之间的传输。
开发人员通过软件手段向该芯片中写入特定的指令, 就可以更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元,使其完 成一定的功能。
FPGA模块
EP2C5Q208C8N的主要特性:
现在的 FPGA器件内部功能模块越来越丰富,如片内 RAM、锁相环(PLL)、数字信号处理(DSP)模块、 甚至嵌入式CPU等等。
FPGA模块
FPGA开发工具
目前,FPGA主要的开发工具有:
• Quartus II • MAX+PLUS II • SOPC Builder(可编程片上系统开发工具) • DSP Builder(内嵌DSP开发工具) • ModelSim(仿真工具) • Synplify/Synplify Pro(综合工具)
(FLASH),是用来存放用户程序和数据的存储器。该 芯片的数据是16位,容量是2M字节(1M字)。
该芯片有48个引脚,通过它的地址总线(A0~A19) 与数据总线(D0~D15)也可以与FPGA芯片进行数据之 间的传输。该装置还可以在电可擦除可编程只读存储器 中(EEPROM)进行编程。
FLAห้องสมุดไป่ตู้H模块
输入/输出,字方式)
▪ A-1(地址输入/输出,字节方式) ▪ BYTE(47脚):选择8位或16位
数据输入方式
▪ CE(26脚):芯片使能 ▪ OE#(28脚):输出使能 ▪ WE#(11脚):控制写操作 ▪ RESET(12脚):芯片复位引脚 ▪ RY/BY(15脚):空闲/忙碌状态
输出引脚
▪ VCC(37脚):3.0V电压源 ▪ VSS(46脚):接地 ▪ NCC(10、13、14脚):不接
EP2C5Q208C8N引脚说明:
▪ I/O,ASDO(1脚):在AS(主动串行)模式下是专用输出脚,是EP2C5向
串行配置芯片发送控制信号的脚。也是用来从配置芯片中读取配置数据的脚。 在PS(被动串行)和JTAG模式下可以当I/O脚来用。
▪ I/O,nCSO(2脚):在AS模式下这个脚是EP2C5用来给外面的串行配置芯片
▪ MSEL[1:0](125、126脚):这些脚要接到零或电源,表示高电平或低电平。
00表示用AS模式,10表示PS模式。JTAG模式跟MSEL无关,就把它们接00, 表示接地。
▪ DEV_CLRn(206脚):I/O或全局的清零输入端。在QuartusII里面,如果选
上“Enable Device-Wide Rese(t DEV_CLRn)”这个功能。这个脚就是全 局清零端。当这个脚被置低,所有的寄存器都会被清零。
FPGA设计流程
设计输入 综合
布局布线 仿真
下载调试
基于FPGA的开发板
下面是一个基于FPGA的开发板:
这个开发板是一个基于FPGA器件的最小系统,该系统由好几个模块 组成,核心模块是FPGA。通过对这个系统的了解,可以帮助我们学习 FPGA器件的开发流程、系统电路的构成和设计方法。
开发板各个组成模块
片上可编程系统(SOPC)的硬件平台。
FPGA器件集成密度很高,它由数万个到数千万个 逻辑门构成,可以完成很复杂的时序与组合逻辑电路功 能。所以其密度高、设计周期短、开发成本低、强大的 并行计算能力和灵活的动态可重构性被广泛地应用于各 个领域,如数字电路设计、微处理器系统、DSP、通信、 ASIC设计等。
目前,应用最广泛的可编程逻辑器件有复杂可编程逻辑 器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)。
FPGA概述
FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的简称。FPGA器件及其开发系统是开发大规 模数字集成电路的新技术。它利用计算机软件,绘制出实现 用户逻辑的原理图或用硬件描述语言等方式作为设计输入; 然后经一系列转换程序、自动布局布线、模拟仿真的过程, 最后生成配置FPGA器件的数据文件,下载到FPGA器件中, 从而实现了满足用户需求的专用集成电路,真正达到了用户 自行设计集成电路的目的。
FPGA模块
▪ nSTATUS(121脚):专用的配置状态脚。双向脚,当它是输出脚时,
是漏极开路的。在上电之后,FPGA立刻将nSTATUS脚置成低电平, 并在上电复位完成后,释放它,将它置为高电平。作为状态输出脚时, 在配置过程中如果有任何一个错误发生了,nSTATUS脚会被置低。 作为状态输入脚时,在配置或初始化过程中,外部控制芯片可以将这 个脚拉低,这时候FPGA就会进入错误状态。这个脚不能用作普通I/O 脚。nSTATUS脚必须上拉一个10K欧的电阻。
“ Add your company slogan ”
FPGA及其开发板简介
LOGO
FPGA发展
当今社会是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电 路从早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规 模集成电路逐步发展到现在的专用集成电路(ASIC)。 ASIC的出现降低了产品的生产成本,提高了系统的可靠性, 缩小了设计的尺寸,推动了社会数字化的进程。但是ASIC 因其设计周期长、成本高、灵活性差等缺陷制约着它的应 用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法,希望 AISC的设计周期尽可能短,最好是在实验室里就能设计出 合适的ASIC芯片,并立即投入到实际应用之中,因而出现 了现场可编程逻辑器件(FPGA)。
start-up clock(CLKUSR)”选项后,这个脚就只可以作为用户的初始化时钟 输入脚。有这个功能,可以延缓FPGA开始工作的时间,可以在需要和其它 器件进行同步的特殊应用中用到。
▪ DATA0(20脚):专用输入脚:在AS模式下,EP2C5将nCSO置低电平,
配置芯片被使能。EP2C5然后通过DCLK和ASDO配合操作,发送操作命令, 以及读地址给配置芯片。配置芯片然后通过DATA脚给EP2C5发送数据。 DATA脚就接到EP2C5的DATA0脚上。
SDRAM模块
HY57V641620HG主要特点:
▪ 单电源3.3±0.3V电压供电 ▪ 所有引脚电压等级兼容LVTTL标准 ▪ 所有输入和输出与时钟上升沿同步 ▪ 数据分为低8位和高8位 ▪ 允许中断操作 ▪ 自动和手动复位
SDRAM模块
HY57V641620HG引脚图:
引脚说明:
▪ CLK(38脚):系统输入时钟。所
发送的使能脚,是专门用来输出脚。在PS和JTAG模式下可以当I/O脚来用。
▪ I/O,CRC_ERROR(3脚):当错误检测CRC电路被选用时,被作为
CRC_ERROR脚,如果不用默认就用来做I/O。
▪ I/O,CLKUSR(4脚):当在Quartus II软件中打开“Enable User-supplled
制数据输入/输出。读出输出数据, 写入输入数据。
▪ DQ0~DQ15:数据输入/输出位。 ▪ AQ0~AQ11:地址输入/输出位。 ▪ VDD/VSS(1/54脚):电源/地。 ▪ VDDQ/VSSQ:数据输出电源/地。 ▪ NC:不接。
FLASH模块
这个模块选用的芯片是Am29LV160D。 Am29LV160D 是 一 个 16Mbit 的 快 速 存 储 器
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