開發板概述

在走近FPGA預告篇中，我們已經提到了系列文章使用的開發平臺，硬木課堂Xilinx Artix 7 FPGA板，如下圖所示。它使用的FPGA芯片型號為Xilinx Artix-7 XC7A75T，具有電平開關、LED、矩陣鍵盤、數碼管等基本外設，同時還有高速ADC/DAC，音頻Codec，SD卡，32位DDR3L（共1GB）外設用于SoC設計的進階實驗，另外，上方的I/O插槽可以直接插入特定型號的LCD屏幕與攝像頭，極大地方便了圖像處理相關應用的實現。

硬木課堂 Xilinx Aritx 7 FPGA板

FPGA 芯片

該FPGA板采用的芯片型號為XC7A75T，從Xilinx官網的數據手冊中可以找到7系列FPGA芯片的資源對比，可以看出75T在所有Artix-7系列的FPGA中資源量屬于中上，雖然相比于100T和200T而言資源量還是少了許多，但是完成基礎的FPGA實驗和進階的SoC設計實驗（包括圖像處理相關）是足夠的。75T和100T, 200T的FPGA芯片是兼容的，硬木課堂同時還提供有200T的FPGA板，以應對更復雜的應用場景需求。

FPGA芯片資源（圖源數據手冊）

Artix-7系列FPGA芯片采用下圖所示的基本可配置邏輯塊（CLB），其中包括6輸入查找表、可選的雙向5輸入查找表、分布式存儲、移位寄存器、高速進位算術邏輯功能以及大量多路復用器。基本可配置邏輯塊（CLB）是用于實現時序電路和組合電路的主要邏輯資源。每個CLB都連接到一個交換矩陣（Switch Matrix），以訪問通用路由矩陣。每個CLB內部包含兩個slice。7系列FPGA中的LUT可以配置為具有一個輸出的6輸入LUT，也可以配置為具有獨立輸出但共享地址或邏輯輸入的兩個5輸入LUT。每個5輸入LUT輸出都可以選擇在觸發器中寄存。每個slice由4個這樣的6輸入LUT、8個觸發器、多路復用器和算術運算單元構成。每片四個觸發器可以選擇配置為鎖存器。但在這種情況下，該片中其余的四個觸發器必須保持未使用狀態。

基本可配置邏輯塊結構（圖源數據手冊）

更多關于FPGA內部原理結構的介紹，可以閱讀《FPGA原理與結構》[日]天野英晴主編，趙謙譯 這本書，這本書對FPGA的內部原理闡釋得比較清楚，對于初學者也比較友好。另外，如果能夠找到《FPGA設計指南-器件、工具和流程》 [美] Clive "Max" Maxfield 著， 杜生海 邢聞 譯 這本書也不錯，感覺作者的語氣比較幽默，但是似乎已經買不到新書了（略有遺憾）。在《FPGA原理與結構》中文版出版之前我就是看的《FPGA設計指南》一書，都很好地幫助理解FPGA的原理結構，從而更好地利用FPGA學習電路設計。

下載器+調試器

在本系列文章使用的FPGA板上的右下方有兩個接口，如下圖。其中上方的接口（FPGA-Jtag）為FPGA下載接口，通過該接口下載比特流到FPGA中進行配置，功耗較小時，供電也是PC機通過該接口給板卡供電。如果功耗較大，則需要使用FPGA板右上角的輔助供電接口（POWER），可以使用手機5V充電器給板卡供電。

下載器和調試器接口

圖中下方的接口（DAP-Jtag）為CMSIS-DAP接口，用于Cortex-M系列內核調試，在搭建基于Cortex-M0的SoC時，調試系統是必不可少的，關于調試系統的更多內容在后續的文章中有詳細介紹。為了方便使用，FPGA板在設計之初便將調試電路封裝在板上，預留出來一個JTAG口用于和PC機通信，這樣做不僅簡化了對調試器內部原理的理解需求，而且方便了連線。調試器部分的端口需要約束的有一個時鐘信號和一個雙向的數據信號，結構如圖所示。

調試器接口原理圖

電平開關和LED

本系列所使用的FPGA板提供了12個直接由FPGA控制的LED燈LED11-LED0，每一個LED燈都由FPGA芯片的一個引腳直接驅動，如圖所示。當FPGA的引腳輸出高電平時LED燈點亮，反之則熄滅。在LED燈旁邊也有12個電平開關，可以作為輸入信號，當電平開關處在DOWN位置（靠近開發板邊緣）時向FPGA相應引腳輸入低電平，當電平開關在UP位置時向FPGA相應引腳輸入高電平，如圖。

電平開關（SW11-SW0）和LED（D11-D0）

開關原理圖

LED原理圖

一個簡單的流水燈示例如下（之后的文章也會講到）。

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4x4矩陣鍵盤

FPGA板帶有一個4x4的矩陣鍵盤，可以用于一些外界的控制交互，如圖所示。

矩陣鍵盤

矩陣鍵盤原理圖

左側的KEY1-KEY8信號分別代表橫豎的4個端口，分別與FPGA上的4個輸出端口連接。矩陣鍵盤的工作原理可以舉個例子說明，如果將KEY1設置為低電平，KEY2-KEY4設置為高電平，則按下KEY15按鍵后，KEY5端口輸出低電平，松開KEY15按鍵后，KEY5端口輸出高電平。唯一需要注意的是，按下按鍵時信號存在抖動，所以需要設計按鍵消抖模塊以免按鍵抖動帶來未預期的系統錯誤。

一個簡單的鍵盤控制流水燈的示例。

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數碼管

FPGA板上配有配有6個七段數碼管DIG1-DIG6（當正放FPGA開發板時，從左至右為1-6），每個數碼管都由一個專用片選信號（DIG1- DIG6）控制，如圖所示。七段數碼管的每個引腳均通過共陰模式連接到 FPGA芯片上，當FPGA輸出高電壓時，對應的字碼段點亮，反之則熄滅。數碼管的片選信號也直接與FPGA引腳相連，當FPGA輸出低電壓時，對應的數碼管選中，反之則不選中。

數碼管

數碼管原理圖

一個簡單的計數器，使用數碼管顯示。

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直插攝像頭和屏幕的IO口

FPGA板上方有3組IO接口，可以用于LCD顯示屏和攝像頭的直插。

3組IO接口

對于示例中用到的攝像頭和LCD顯示屏，分別可以直接插到右邊和左邊的IO接口組，效果如圖。在我之前寫過的一篇專欄文章中對使用攝像頭和LCD顯示屏進行開發的過程有更多的描述，另外，在后續系列文章中也會對相關的實驗進行詳細的介紹。

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攝像頭+顯示屏直插

另外，如果需要連接擴展顯示，也可以通過FPGA板右邊的VGA接口連接擴展顯示設備，VGA接口共有15針，分成3排，每排5個孔，接口原理圖如下。VGA接口具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優點。VGA接口不但是CRT顯示設備的標準接口，同樣也是LCD液晶顯示設備的標準接口，具有廣泛的應用范圍。

通過VGA接口連接擴展顯示設備

VGA接口原理圖

高速ADC/DAC

FPGA開發板的左上方是高速ADC/DAC芯片，該芯片是來自 MAXIM公司的超低功耗模擬前端，最高工作頻率達到20MHz，芯片型號為Max5865。Max5865集成了雙路的8位ADC以及雙路的10位DAC，其數字輸出電平為+1.8V至+3.3V（TTL/CMOS兼容），且該芯片的ADC和DAC既可以同時工作也可以獨立工作。其關斷與工作模式由三線的串行接口來控制。高速ADC/DAC芯片左側的一組黃色貼片排母IO接口包含兩組ADC輸入接口，分別標識為ADC1和ADC2，還包含兩組DAC輸出接口，分別標識為DAC1和DAC2，可通過導線與示波器、信號源等儀器相連進行實驗。

ADC DAC接口

音頻和SD卡

FPGA開發板的左下側載有立體聲多媒體數字信號編譯碼器芯片WM8978。WM8978是Wolfson推出的一款全功能音頻處理器，帶有一個HI-FI級數字信號處理內核，支持增強3D硬件環繞音效，以及5頻段的硬件均衡器，可以有效改善音質。在音頻編譯碼芯片的左側有兩個音頻接口，位于上側的是音頻輸入接口，可通過音頻連接線連接音頻播放設備（如手機）來輸入音頻信號，位于下側的是音頻輸出接口，可以連接耳機播放音樂。另外，在FPGA開發板相同位置的背面，還有一個Micro SD卡的插槽，可放置SD卡。

音頻接口

DDR3L

開發板上FPGA正下方是兩片DDR3L SDRAM存儲器芯片，產自Micron公司。DDR SDRAM的全稱是雙倍速率同步動態隨機存儲器（Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory），其在時鐘的上升沿和下降沿都能進行數據傳輸。DDR3是DDR2的后繼者，提供了相較于DDR2 SDRAM更高的運行效能與更低的電壓。而DDR3L的L是Low Voltage的縮寫，DDR3的工作電壓為1.5V，而DDR3L工作電壓為1.35V。

DDR3L SDRAM存儲器芯片

開發板上DDR3L SDRAM芯片的型號為MT41K256M16TW，即一片該DDR3L SDRAM存儲器芯片的深度為256M，寬度為16bit （2Byte），故存儲器容量為512MB（256M×2Byte），兩片DDR3L芯片地址線已經連在了一起，相當于一片深度不變但數據寬度翻倍（32bit）的DDR3L SDRAM，兩片存儲器芯片構成的存儲器總容量為1GB。

千兆以太網

在FPGA開發板的右上側載有千兆以太網PHY芯片以及網口。該芯片為Realtek公司的RTL8211E，支持1000Mbps的網絡傳輸速率，通過RGMII接口與FPGA進行數據通信，傳輸時鐘為125MHz，4bit的發送數據TXD與接收數據RXD在時鐘的上升沿和下降沿采樣。開發版上板載的RTL8211E已配置好RX與TX延遲，工作電壓為3.3V。

千兆以太網

下期預告

本期文章介紹了[走近FPGA]系列所使用的開發平臺，下方為板子的鏈接。下期文章將介紹相關開發工具的使用，敬請期待。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的fpga供电电压偏低会怎样_[走近FPGA]之开发板介绍篇的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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