武汉理工大学FPGA第3章FPGA开发平台.docx

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武汉理工大学FPGA第3章FPGA开发平台

第3章FPGA开发平台

本章主要介绍SEED-XDTKXUPV2Pro开发平台。

SEED-XDTK开发平台是一套既可以满足科研工作，又可用于复杂算法评估和项目预研的FPGA综合系统平台。

系统平台的主处理器部分可兼容Virtex-IIPro、原装XUPV2Pro大学计划板卡和SEED-FEM025板卡，平台除了主处理器模块外还提供了一块SEED-XDTK_MBOARD板卡作为功能补充。

3.1开发平台的结构

SEED-XDTKXUPV2Pro系统平台的原理框图如下。

图3-1SEED-XDTKXUPV2Pro系统原理框图

整个系统可以看作由两部分组成：

XUPV2Pro模块和SEED-XDTK_MBOARD模块。

其中XUPV2Pro模块也就是我们平常所说的开发板，主要包括V2Pro芯片、时钟管理模块、ACE模块平台FLASHCFUSB下载、DDR、MGT（8个）、高速扩展口、音频输入输出、串口、以太网接口、XSGA、拔码开关、LED、开关电源、系统电源等。

SEED-XDTK_MBOARD板卡通过使用XUPV2Pro板卡的扩展接口（J5与J6）实现SEED-XDTKXUPV2Pro系统平台的功能扩充。

SEED-XDTK_MBOARD板卡通过CPLD来实现各个功能的切换，主要包括CPLD功能模块、视频输入、RTC时钟模块、串行并行转换、蜂鸣器、LCD、CAN模块、LED点阵、LED、数码管显示、USB2.0接口、液晶显示器等。

3.2主处理系统XUPV2Pro板卡概述

3.2.1XUPV2Pro原理框图

图3-2XUPV2Pro原理框图

Virtex-IIPro系列的FPGA（XC2VP30FFG896C）是Xilinx公司在2002年推出的高端FPGA产品，它采用13nm、1.5V、三重氧化层工艺技术，并继续沿用Virtex-2架构，在提供很高性能的同时，与以前推出的器件相比，Virtex-IIPro系列极大的降低了功耗。

在单个Virtex-IIPro系列的FPGA中，集成了IBM400MHZPowerPc处理器和622Mbit/s~6.25Gbit/s全双工串行收发器，使FPGA与片外芯片的数据传输能力有所提高，能够基本满足高速数据传输的要求。

3.2.2XUPV2Pro板卡特性简介

1.XUPV2Pro板卡处理器系列芯片特性

Virtex-IIPro系列芯片具有如下系统特性：

（1）用于改善信号传输质量的数字阻抗匹配技术（DCI）；

（2）多达2个400MHZ、600多DMIPS、嵌入式IBMPowePc405处理器硬核；

（3）带有MicroBlaze核的软处理解决方案；

（4）用于数字信号处理的硬件乘法器，多达444个18×18嵌入式乘法器；

（5）内部集成DSP工具，如TheMathWorks,MATLAB/Simulink、XilinxSystemGeneratorforDSP以及CandenceSPW;

（6）嵌入和分布式存储器；

（7）更加完善的系统时钟方案；

（8）采用先进的三重DES加密技术，对比特流数据进行加密处理，全面保障设计的安全性；

（9）部分/整体FPGA重配置，为产品提供现场可升级能力。

表3-1Virtex-IIPro系列FPGA性能参数

2.XUPV2Pro板卡主芯片XC2VP30与FFG896C的特性

（1）片内集成两片32位的PowerPc405处理器内核

（2）8个I/Obank

（3）8个DCM（时钟管理器）

（4）30816个LogicCells（逻辑单元）

（5）136个18×18Bit多功能模块

（6）最大可用IO管脚为644

（7）可配置逻辑模块（CLB）

（8）3696个Slice

（9）428个MaxDistraRaM

（10）块RAM（BlockSelectRAM）

（11）136个18kb的BlockRAM

（12）最大的BlockRAM容量为2448KB

3.XUPV2Pro板卡特性

图3-3XUPV2Pro板卡实物图

图3-3所示为XUPV2Pro板卡实物图，其性能特性如下：

（1）嵌入PowerPC405处理器内核的Virtex-IIProFPGA

（2）可达2GB的DoubleDataRate（DDR）SDRAM；

（3）SystemACETM控制器及CompactFlashTM接口；

（4）一路USB配置端口；

（5）板上有一个ISP（In-SystemProgrammable）配置PROM，此FLASH可进行高速SelectMAPFPGA配置；

（6）支持“Golden”和“User”FPGA配置bitstream文件；

（7）有音频放大器和扬声器/耳机输出的AC97标准的Audio音频接口；

（8）RS-232DB9串行接口；

（9）两个PS-2接口，可以接键盘与鼠标；

（10）一路10M/100Mbass-TX标准以太网设备；

（11）一路XSGA输出；

（12）一路MGT（Multi-GigabitTransceivers）扩展接口；

（13）3个SATA端口，两个主端口和一个目标端口；

（14）与Virtex-IIProI/O管脚相连接的4个LED显示接口；

（15）与Virtex-IIProI/O管脚相连接的4路拨码开关输入；

（16）与Virtex-IIProI/O管脚相连接的5路按键输入；

（17）与80个Virtex-IIProI/O管脚相连接的6个扩展接口；

（18）与40个Virtex-IIProI/O管脚相连接的1个高速扩展接口；

（19）100MHz系统时钟，75MHzSATA时钟；

（20）板上电源；

（21）上电复位电路、手动复位，方便安全；

（22）PowerPC405复位电路

4.XUPV2Pro主板卡技术指标

（1）主处理器：

XC2VP30，FFG896C

（2）DDRSDRAM：

片外：

16M×32-位

（3）PLATFORMFLASH：

片外：

32MBIT

（4）CF卡：

片外：

8MBIT

（5）拨码开关输入：

片外：

4路开关状态为“ON”时，FPGA逻辑为“0”

（6）LED灯输出：

片外：

4路FPGA逻辑为“1”时，点亮相应LED灯

（7）按键输入：

片外：

5路按键选中时，FPGA逻辑为“0”

（8）音频输入：

2通道，Microphone输入、LineIn输入（输入范围2Vrsm）

支持8KHz~96KHz@16/20/24/32-位采样

（9）音频输出：

2通道，LineOut输出、AMP输出（输出范围1Vrsm@10K

Ω/50pF负载）支持8KHz~96KHz@16/20/24/32-位采样

（10）异步串口：

3通道，RS232模式传输率：

RS232：

1Mbaud

（11）XSGA接口：

VGA接口，RGB格式,视频DAC芯片的像素时钟为180MHz；视频输出像素为1280×1024，刷新频率75Hz，最大分辨率为1600×1200，刷新频率70Hz

（12）MGT扩展接口：

4路

1路为SMA接口，用户提供时钟输入

3路为SATA接口，两个主端口一个目标端口

SATA接口时钟75MHZ

（13）以太网接口：

10M/100Mbase-TX标准，标准的带红、绿、黄3个LED指示

灯的RJ45连接器，绿灯指示连接状态，黄灯指示数据传输或传输速度

（14）扩展接口：

6路,与80个Virtex-IIProI/O管脚相连接的，带有电压保护

（15）高速扩展接口：

1路,与40个Virtex-IIProI/O管脚相连接的

（16）工作温度：

0～70℃

3.3XUPV2Pro开发板主要模块介绍

开发板主要模块分为六部分：

①时钟、电源管理模块；②下载配置模块；③扩展接口模块；④MGT模块；⑤串口通信模块；⑥音视频传输模块。

图3-4开发板主要模块

3.3.1时钟、电源管理模块

1.时钟管理模块

时钟管理与晶体振荡器密切相关。

所谓晶体振荡器，简称晶振，其作用是产生原始的稳定的时钟频率，这个频率经过频率发生器的分频或倍频就变成了各种不同的频率。

该板卡上有如下六种时钟管理单元：

（1）一个100MHz系统时钟（Y2）

这是一个能提供100MHz频率的晶振，是系统时钟。

一般来说，如果设计中用到其他频率的时钟（如PPC405需200MHz的时钟，PLB总线需50MHz的时钟），则都是由该时钟源经DCM分频或倍频后产生的。

（2）一个75MHz时钟（U10）

该时钟是专门为高速通道收发器的SATA口提供时钟源的，为75MHz。

（3）穿孔双向封装用户备用时钟（Y3）

晶振Y3只是个备用时钟源，处于开发板的背面，当其他的晶体振荡器都无法正常工作时才启用该时钟源。

（4）专为MGTs提供的外部时钟（J23-J24）

该时钟是专为TopMGT提供时钟频率，而且是由外部的时钟源提供，值得注意的是这里的时钟源还必须是差分的时钟源。

（5）一个32MHz时钟（Y4）

该时钟专为控制芯片ACE提供32MHz时钟频率。

（6）专为高速扩展接口模块提供的时钟

提供数字高速扩展接口模块的时钟，如若本板卡通过此高速扩展接口外接了板卡资源，那么该时钟源就能为接口模块提供时钟源。

2.电源管理模块

系统平台有如下两种提供电源的方式：

（1）外接220V三相稳压源，输出12V电压对系统供电；

（2）对开发板的J26端口提供5V电源供电。

两种供电方式都有相应的复位开关SW11，图3-5（a）和图3-5（b）分别表示电压转换芯片结构图和电源转换模块实物图。

图3-5（a）电压转换芯片结构图图3-5（b）电源转换模块实物图

无论使用那种供电方式，图中的电源管理模块都会对输入电压进行电压转换，转换芯片分别为TPS54615、TPS54616和TPS54613。

三块芯片功能几乎相同，只是转换后得到的电压幅值不同，分别为2.5、3.3和1.5V。

下面以TPS54613芯片为例，对电压转换芯片作简要说明。

TPS54613芯片为28管脚的PowerPAD封装型式，性能参数和引脚排列可查阅相关资料，电压转换芯片一般都有外接定时电容、输出电阻以及积分电容或滤波电容。

当电路中有5V电压输入时，在存在电压差值的情况下定时电容被线性地充放电，从而产生了电流输出。

在一个时钟周期内，输出电路把这一电流准确地送到负载电阻中。

由于负载电阻的另一端接地，于是经滤波后的电流被滤波电容积分而得到输出电压，从而完成了电压转换。

3.3.2下载配置模块----ACE模块

图3-6ACE模块实物图

图3-6所示为ACE模块的实物图。

ACE模块主要是提供CF卡与主芯片V2P30的接口，并管理FPGA配置数据。

这里所使用的控制器芯片为XCCACE—TQG1441，该控制器可提供如下几种端口：

（1）CompactFlash口；

（2）JTAG配置口；

（3）MPU微处理器口；

（4）JTAG测试口。

其配置方式有两种：

一种是将CF卡中的数据直接通过CompactFlash口