【正点原子FPGA连载】第二章实验平台简介

正点原子

1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板
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第二章实验平台简介

本章内容主要向大家简要介绍我们的实验平台：达芬奇FPGA开发板。通过本章的学习，你将对我们后面使用的实验平台有个快速的了解，为后面的学习做铺垫。
本章包括以下几个部分：
11.1达芬奇FPGA开发板资源初探
1.2达芬奇FPGA开发板资源说明
1.3

1.1达芬奇FPGA开发板资源初探
正点原子目前已经拥有多款 STM32、I.MXRT以及FPGA开发板，这些开发板常年稳居淘宝销量冠军，累计出货超过10W套。这款FPGA开发板，是正点原子针对中高端应用场景所推出的开发板。
1.1.1达芬奇开发板资源
首先我们来看达芬奇FPGA开发板的资源图，如图 2.1.1所示。

图 2.1.1 达芬奇FPGA开发板资源图

从图 2.1.1可以看出，达芬奇FPGA开发板资源非常丰富，把FPGA芯片内部的资源发挥到了极致，同时扩充了丰富的接口和功能模块，整个开发板显得十分高端和大气。
开发板的外形尺寸为124mm*92mm，非常小巧精致，板子的设计充分考虑了人性化设计，并结合正点原子多年的开发板设计经验，经过多次改进，最终确定了这样的设计。
正点原子达芬奇开发板资源如下：
主控芯片：Xilinx Artix7系列XC7A35T，封装：FGG484，速率等级：-2
晶振：50Mhz有源晶振
FLASH：采用Micron美光公司的N25Q128 QSPI FLASH，容量：128Mbit（16MB字节）
DDR3： NT5CB128M16CP-DI，容量：2Gbit（256M字节）
EEPROM芯片：AT24C64，容量：64Kbit（8K字节）
1个电源指示灯（蓝色）
4个状态指示灯（LED0~ LED3：红色）
1个程序下载完成指示灯（绿色）
1个ATK模块接口，支持ALIENTEK蓝牙/GPS/MPU6050/RGB灯模块
1个标准的RGB888 TFT-LCD接口
1个OLED/摄像头模块接口
1个USB2.0串口
1个USB2.0 Slave接口
1个有源蜂鸣器
1个XADC接口
两路HDMI接口，两路均支持输入或者输出
1个TF卡接口（在板子背面）
1路千兆以太网接口（RJ45）
1个JTAG调试下载口，10PIN接口
1组5V电源扩展口，支持对外提供电源和外部输入电源
1组3.3V电源扩展口，支持对外提供电源和外部输入电源
1个直流电源输入接口（输入电压范围：DC6~16V）
1个RTC后备电池座，并带电池
1个RTC实时数字时钟，采用PCF8563芯片
1个复位按键，可作为FPGA程序执行的复位信号
4个功能按键
1个电容触摸按键
1个电源开关，控制整个开发板的电源
两个28x2扩展口，共112个扩展IO口，每组包含1个3.3V和5V电源接口
达芬奇FPGA开发板的特点包括：
1)接口丰富。板子提供了丰富的标准外设接口，可以方便的进行各种外设的实验和开发。
2)设计灵活。我们采用合一板的形式，板上很多资源都可以灵活配置，以满足不同条件下的使用。其中芯片左下侧和左上侧各引出一排28x2扩展口，共112个扩展IO口。
3)资源充足。板载1颗DDR3内存芯片、 2路HDMI接口、1个RGB LCD接口、1路千兆以太网接口、1个USB2.0 串口接口、1个USB SLAVE接口以及各种接口芯片，满足各种应用需求。
4)人性化设计，各个接口都有丝印标注，且用方框框出，使用起来一目了然；部分常用外设大丝印标出，方便查找；接口位置设计合理，方便顺手。资源搭配合理，物尽其用。
1.2达芬奇FPGA开发板资源说明
达芬奇FPGA开发板资源说明分为两个部分：硬件资源说明和软件资源说明。
1.2.1硬件资源说明
达芬奇FPGA开发板配备了丰富的硬件外设和提供了大量的扩展IO，如下图所示：

图 2.2.1 达芬奇FPGA开发板硬件资源框图

XC7A35T FPGA芯片包括了6个IO Bank，IO Bank可以理解为是FPGA的一个部分，每个Bank的IO电压和特性是相同的，有些高速接口的IO只能接到同一个Bank IO上面，比如千兆网接口。
XC7A35T IO Bank包括Bank 13、Bank 14、Bank 15、Bank 16、Bank 34和Bank 35，其中Bank 13为XC7A100T独有Bank。我们分别为不同Bank的IO连接了不同的外设，如图 2.2.1所示。
下面我们分别介绍达芬奇FPGA开发板上的硬件资源。
开发板外设简介：
1.FPGA主控芯片
达芬奇FPGA开发板主控芯片为XC7A35T-2FGG484I，该芯片有33K LC（逻辑单元），1.8Mbit BRAM，5个时钟管理单元，集成DDR3硬核，性价比非常高，在实际产品中应用非常广泛。
2.DDR3 SDRAM
达芬奇FPGA开发板板载1片2Gbit DDR3内存，芯片型号为NT5CB128M16IP-DI，速率可以高达800Mhz。该DDR3最大可以提供800M*16=12.8Gbps带宽，可以轻松应对各种大内存、高带宽场景需求，比如摄像头图像数据存储等。
3.QSPI Flash
FLASH采用Micron美光公司的N25Q128 QSPI FLASH，容量为128Mbit（16MB字节）。这是开发板的Flash芯片，用于存储FPGA芯片的配置数据以及用户相关数据。
4.50Mhz晶振
达芬奇FPGA开发板板载一个50Mhz的有源晶振（XTAL）。该晶振输出的时钟是FPGA最原始的时钟，其它外设需要的各种频率的时钟都在此基础上使用MMCM（时钟管理单元）进行倍频或分频。
5.HDMI接口
达芬奇板载2个HDMI（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接口，每个接口都支持HDMI输入或者HDMI输出。该接口作为HDMI输出时，该接口可以连接到HDMI显示器上，从而显示出视频或者图片等；该接口作为HDMI输入时，可以连接到台式机箱或者笔记本电脑的HDMI输出接口上面，FPGA可以对电脑输出的HDMI信号做一些处理。开发板没有板载HDMI的专用PHY芯片，HDMI的PHY编解码功能由FPGA的逻辑来模拟实现。
6.OLED/摄像头模块接口
这是开发板板载的一个OLED/摄像头模块接口（P2），如果是OLED模块，靠左插即可（右边两个孔位悬空）。如果是摄像头模块（ALIENTEK提供），则刚好插满。通过这个接口，可以分别完成多个外部模块的相关实验。
7.XADC接口
达芬奇板载一个XADC接口（J1），用于测量外部输入的模拟电压，范围为0~1V。FPGA内部的XADC模块既可以测量芯片内部的温度和电压，也可以用来测量外部的模拟电压。
8.RGB TFT-LCD接口
达芬奇板载一个RGB LCD接口，可以连接各种分辨率的正点原子RGB LCD屏，采用的是RGB888格式，可显示1677万色，色彩显示丰富。并且该接口支持触摸的功能。
9.ATK模块接口
达芬奇板载了一个ALIENTEK通用模块接口（U4），目前可以支持ALIENTEK开发的USB串口模块、GPS模块、蓝牙模块、MPU6050模块和全彩RGB灯模块等，直接插上对应的模块，就可以进行相关模块的开发。后续我们将开发更多兼容该接口的其他模块，实现更强大的扩展性能。
10.千兆以太网接口(RJ45)
达芬奇板载1路千兆的以太网接口，PHY芯片型号是RTL8211FD，支持10Mbps/100Mbps/1000Mbps的通信速率，板载的RJ45插座可以连接网线，实现全双工网络通信功能。
11.10-Pin JTAG接口
达芬奇板载1个10针JTAG调试下载口，通过他可以直接和FPGA下载器（调试器）连接，用于下载程序或者对程序进行在线调试。
12.USB转串口
达芬奇板载一个USB转串口，之所以设计成USB形式的串口，是出于现在电脑上串口正在消失，尤其是笔记本，几乎清一色的没有串口。所以我们板载了USB串口可以方便大家进行USB串口通信的试验。同时这个USB接口还可以给开发板提供电源，但是其最大电流只有500mA，但是在运行大功耗的程序时，它却不能够提供足够大的电流，所以还是建议大家使用专门的电源适配器来为开发板供电。
13.USB2.0 Slave接口
达芬奇板载一个USB2.0 Slave接口，配备USB2.0 接口芯片FT232HL，最大传输速度可以高达480Mbps，可以用来连接HOST设备（比如电脑），以满足特定的应用需求。
14.1个FPGA复位按键
达芬奇板载一个复位按键（RESET），可以作为FPGA逻辑的复位信号，按键复位信号默认是高电平的，当复位按键按下之后为低电平。
15.4个FPGA普通按键
达芬奇板载4个普通机械式按键（KEY0-KEY3），可以作为FPGA逻辑的复位信号，按键复位信号默认是高电平的，当复位按键按下之后为低电平。
16.触摸按键
达芬奇板载1个电容触摸输入按键（TPAD），触摸方案采用AR101芯片，该芯片利用电容充放电原理，实现触摸按键检测的功能。当手指触摸TPAD按键时，触摸芯片输出高电平，松开为低电平。
17.4个LED
达芬奇板载四个LED灯（LED0~LED3）。四个LED灯对于一般的应用足够了，在调试代码的时候，使用LED来指示程序执行状态，是非常不错的一个辅助调试方法。
18.1个下载完成指示灯
达芬奇板载1个下载完成指示灯（DONE）。程序下载完成后，该指示灯会变亮，变亮后程序才会开始正常运行。
19.有源蜂鸣器
达芬奇板载1个有源蜂鸣器（BEEP），可以实现简单的报警/闹铃。
20.EEPROM (AT24C64)
达芬奇板载一个I2C接口的EEPROM芯片，容量为64Kbit，也就是8K字节。用于存储一些掉电不能丢失的重要数据，比如系统设置的一些参数等。有了这个就可以方便的实现掉电数据保存。
21.电池接口
达芬奇板载1个RTC实时时钟的供电接口（BAT1），可以保证在开发板断电时，实时时钟仍然能够继续工作，这样的话，配置的日期与时间不会因开发板的断电而恢复到默认值。
22.六位数码管
达芬奇板载1个6位共阳极数码管（SEGLED），该数码管提供了一种最简单直观的显示，时间，温度等。
23.DC6~16V电源输入
达芬奇板载1个外部电源输入口（DC_IN），采用标准的直流电源插座。开发板板载了DC-DC芯片（JW5060T），用于给开发板提供高效、稳定的5V电源。由于采用了DC-DC芯片，所以开发板的供电范围十分宽泛，大家可以很方便的找到合适的电源（只要输出范围在DC6~16V 的基本都可以）来给开发板供电。在耗电比较大的情况下，比如用到4.3寸屏/7寸屏/网口/高速AD-DA的时候，建议大家使用外部电源供电，可以提供足够的电流给开发板使用。
24.电源开关
这是开发板板载的电源开关（K1）。该开关用于控制整个开发板的供电，如果通过开关切断电源，则整个开发板都将断电，电源指示灯（PWR）会随着此开关的状态而亮灭。如果打开电源开关，电源指示灯（PWR）没有亮，需要马上断开开关，请检查是否是电源没有插好或者电源扩展口外扩时候是否存在电源短路或者电源地反接等情况。
25.5V电源输入/输出
达芬奇板载1组5V电源输入输出排针（2*3），该排针用于给外部提供5V 的电源，也可以从外部接5V的电源给板子供电。同样大家在实验的时候可能经常会为没有5V电源而苦恼不已，正点原子充分考虑到了大家的需求，有了这组5V排针，你就可以很方便的拥有一个简单的5V电源（USB供电的时候，最大电流不能超过500mA，外部供电的时候，最大可达1000mA）。
26.3.3V电源输入/输出
达芬奇板载1组3.3V电源输入输出排针（2*3），用于给外部提供3.3V的电源，也可以从外部接3.3V的电源给板子供电。大家在做实验的时候可能经常会为没有3.3V电源而苦恼不已，有了达芬奇开发板，你就可以很方便的拥有一个简单的3.3V电源（最大电流不能超过500mA）。
27.扩展接口
达芬奇板载2组28x2扩展接口，其中芯片左下侧和左上侧各引出一排28x2扩展口，共112个扩展IO口，最多可以提供104个普通IO。扩展口每组各包含1个3.3V和5V电源接口，两个GND接口，支持直接插正点原子的高速AD/DA模块、双目摄像头等模块。
1.2.2软件资源说明
上面我们简单介绍了达芬奇FPGA开发板的硬件资源。接下来，我们将向大家简要介绍达芬奇FPGA开发板的软件资源。
达芬奇FPGA开发板Verilog提供的标准例程多达44个，达芬奇FPGA开发板Microblaze提供的标准例程多达9个。我们提供的这些例程，全部都是原创自主开发，注释非常详细、代码风格统一、难易程度由浅入深，非常适合初学者入门。而其他家开发板的例程，要么注释比较少，要么工程文件管理不统一，对初学者来说可能很难入门。
达芬奇FPGA开发板Verilog的例程列表如下表所示：

达芬奇FPGA开发板Microblaze的例程列表如下表所示：

表 2.2.2 达芬奇FPGA开发板Microblaze的例程

         

从上表可以看出，达芬奇FPGA开发板的例程是非常丰富的，并且扩展了很多有价值的例程。各个例程的难度是循序渐进的，首先从最基础的LED灯闪烁实验开始，然后一步步深入，从简单到复杂，有利于大家的学习和掌握，所以，达芬奇FPGA开发板是非常适合初学者的。当然，对于想深入学习FPGA开发的朋友，达芬奇FPGA开发板也是一个绝佳的选择。