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AXP390开发板用户手册Rev1.1

图片内容:图片中显示的是ALINX的标志,标志由黑色和橙色组成,ALINX的字母以橙色为主,背景为黑色。图片在上下文中的作用:图片中的ALINX标志代表了AXP390开发板的制造商,表明该开发板由ALINX公司生产,这有助于读者了解开发板的来源和品牌。

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基于紫光同创 Titan2 系列的高端 FPGA 开发平台(型号:AXP390)正式发布了,为了 让您对此开发平台可以快速了解,我们编写了此用户手册。

这款 Titan2 FPGA 开发平台采用一体板的模式,板载了 4 片容量为 2GB 的 DDR4 和 4 片 512MB 的高速 DDR3 SDRAM 芯片,内存总容量高达 10GB。同时 FPGA 芯片配置使用 4 片 128Mb 的 QSPI FLASH 芯片。

外围电路为用户扩展了丰富的接口,比如 1 个 PCIex8 接口、4 路 10G SFP 光纤接口、1 路 40G的 QSFP+光纤接口、1 路千兆网口、1 路 UART 串口接口、1 路 SD 卡接口、1 个 FMC 扩展接口、一个 40 针的扩展口等等。满足用户各种高速数据交换, 数据存储,视频传输处理 以及工业控制的要求,是一款"专业级“的 FPGA 开发平台。为高速数据传输和交换,数据处 理的前期验证和后期应用提供了可能。相信这样的一款产品非常适合从事 FPGA 开发的学生、 工程师等群体。

图片展示了一块AXP390开发板,其上布满了各种接口和芯片。中央位置有一个显眼的处理器芯片,周围环绕着多个SFP光纤接口、千兆网口、UART串口接口、SD卡接口等。这些接口为用户提供了丰富的扩展能力,满足高速数据交换、数据存储、视频传输处理及工业控制的需求。图片中的丰富接口设计与文档中提到的外围电路功能相呼应,直观地展示了开发板的高性能和多功能性。

一、 开发板简介

在这里,对这款 AXP390 FPGA 开发平台进行简单的功能介绍。

AXP390 开发板主要由紫光同创 FPGA Titan2 的主芯片、4 个 DDR4、4 个 DDR3L、4 个 QSPI FLASH 和一些外设接口组成。FPGA 采用的芯片型号为 PG2T390HFFBG900。在 HP 端口上连接了 4 片 DDR4 存储芯片组成 64 位的数据带宽,每片 DDR4 容量高达 2GB。 HP 端的内存带宽高达 100Gb/s(1600M*64bit); HR 端口上连接了 4 片 DDR3L 存储芯片组成 64 位的数据带宽,每片容量高达 512MB,内存带宽高达 50Gb/s(800M*64bit)。能够充分 满足高速多路数据处理的需求。4 个 128Mb 的 QSPI FLASH 用来静态存储 FPGA 芯片的配置 文件或者其它用户数据。

板载的外设有 1 个 PCIex8 接口、4 路 10G SFP 光纤接口、 1 路 40G 的 QSFP+光纤接 口、 1 路千兆网口、 1 路 UART 串口接口、 1 路 SD 卡接口、 1 个 FMC 扩展接口、一个 40 针 的扩展口和一些按键 LED 等。

下图为整个开发系统的结构示意图:

图片展示了AXP390开发板的系统结构示意图,其中心为紫光同创Titan2 FPGA芯片PG2T390HFFBG900。该芯片通过多个接口与外围设备相连,包括PCIe插槽、SFP光纤接口、UART串口、SD卡接口、千兆网口等。通过这个示意图,我们可以清晰地看到开发板的功能布局和各部分之间的连接关系。

通过这个示意图,我们可以看到这个开发平台所能实现的功能。

Titan2 FPGA

采用深圳市紫光同创电子有限公司推出的 Tian 家族第二代全新高性能 28nm 的 FPGA 芯 片 PG2T390HFFBG900。

DDR4

带有 4 片大容量的 2GB(共 8GB)高速 DDR4 SDRAM。可满足数据高带宽存储要求, 适合图像分析缓存,数据处理。

DDR3

带有 4 片大容量的 512M 字节(共 2GB)高速 DDR3 SDRAM。可满足 FPGA 数据大部 分存储需求。

QSPI FLASH

4 片 128Mbit 的 QSPI FLASH 存储芯片, 可用作 FPGA 芯片配置文件和用户数据的存储。

PCIe x8 接口

一路标准的 PCIEx8 接口用于和电脑主板的 PCIE 通信, 支持 PCI Express 2.0 标准,单通 道通信速率可高达 5Gbps。

4 路 SFP 光纤接口

FPGA 的 HSSTHP 收发器的 4 路高速收发器连接到 4 个光模块的发送和接收,实现 4 路 高速的光纤通信接口。每路的光纤数据通信接收和发送的速度高达 10Gb/s。

1 路 QSFP+光纤接口

FPGA 的 HSSTHP 收发器的 4 路高速收发器连接到 1 个 QSFP+的光模块接口,实现 QSFP+的光纤通信接口。光纤数据通信接收和发送的速度高达 40Gb/s。

l 一路 10/100M/1000M 以太网 RJ-45 接口

千兆以太网接口芯片采用 KSZ9031RNX 以太网 PHY 芯片为用户提供网络通信服务。 KSZ9031RNX 芯片支持 10/100/1000 Mbps 网络传输速率; 全双工和自适应。

USB Uart 接口

1 路 Uart 转 USB 接口,用于和电脑通信,方便用户调试。串口芯片采用 Silicon Labs CP2102GM 的 USB-UAR 芯片, USB 接口采用 MINI USB 接口。

Micro SD 卡座

1 路 Micro SD 卡座,用于 FPGA 对 SD 卡的数据读写和存储。

温度传感器

板载一片温度传感器芯片 LM75,用于检测板子周围环境的温度。

FMC 扩展口

1 个标准的 FMC LPC 的扩展口,可以各种 FMC 模块(HDMI输入输出模块,高速 AD 模块等等)。

JTAG 调试口

板载 2 个 JTAG 接口,1 个为 10 针 2.54mm 标准的 JTAG 口,用于 FPGA 程序的下载和 调试,1 个为 14 针 2.00mm 的 flash 程序固化接口,用户可以通过紫光同创的 FPGA 下载器 进行调试和下载。

时钟

板载一个 100Mhz 的差分晶振,给 FPGA 系统提供稳定的时钟源;另外板上有一个多路 输出的时钟芯片,为 PCIE、光纤、 DDR3 和 DDR4 工作提供参考时钟。

40 针扩展口

预留 2 个 40 针 2.54mm 间距的扩展口,可以外接的各种模块(双目摄像头,TFT LCD 屏,高速 AD 模块等等)。扩展口包含 5V 电源 1 路,3.3V 电源 2 路,地 3 路,I/O 口 34 路。

LED 灯

6 个发光二极管 LED, 1 个电源指示灯;1 个 DONE 配置指示灯;4 个 FPGA 控制指示灯。

按键

3 个按键, 1 个用于 FPGA 系统复位;2 个用户按键,连接到 FPGA 的普通 IO。

二、 详细参数

(一) FPGA 芯片

前面已经介绍过了,我们所使用的 FPGA 型号为 PG2T390HFFBG900,属于紫光同创公

司 Titan2 系列的产品,速度等级为6,温度等级为工业级。此型号为 FFBG900 封装,900 个 引脚。紫光同创 Titan2 FPGA 的芯片命名规则如下:

图片展示了紫光同创Titan2 FPGA芯片的命名规则示例,包括产品系列、逻辑容量、触发器数量、查找表LUT6数量、DRM个数、APM单元数量、GPLL和PPLL个数、ADC通道、PCIe Gen3 x8、HSSTHP通道数量及速度等级、温度等级等关键参数。该图片在文档中用于说明紫光同创Titan2 FPGA芯片的命名规则和主要参数,帮助读者更好地理解芯片的规格和功能。

图 2-1-1 为开发板所用的 FPGA 芯片实物图。

图片中展示了一块PG2T390H型号的FPGA芯片,其表面印有“PANGO”品牌标识和型号信息。该芯片是AXP390开发板的重要组成部分,用于实现特定的硬件功能。图片在文档中起到直观展示FPGA芯片实物的作用,帮助读者更好地理解文档中提及的FPGA芯片参数和功能。

图 2-2-1 FPGA 芯片实物

其中 FPGA 芯片 PG2T390H 的主要参数如下所示:

名称具体参数
触发器(FF)487200
查找表 LUT6(LUT6=1.5LUT4)243600
DRM(36Kbits)个数480
APM 单元(乘法器)840
GPLL 个数10
PPLL 个数10
ADC 通道专用模拟通道 1 路;复用模拟通道 11 路
PCIe Gen3 x81
HSSTHP16 路, 13.125Gb/s max
速度等级-6
温度等级工业级

FPGA 供电系统

Titan2 FPGA 电源有 VCC, VCCA, VCC_DRM ,VCCB, VCCIO, VVCC_HP ,VHSSTAVCC、VHSSTAVCCPLL、

VHSSTVCCA。VCC 为 FPGA 内核供电引脚,需接 1.0V;VCCA 为 FPGA 辅助供电引脚, 接 1.8V;VCC_DRM 为 FPGA 的 DRM 供电电压,为 1.0V;VCCB 为秘钥存储器备用电池电源电压需接 1.8V; VCCIO为 FPGA 的各个 BANK 的电压,包含 L1、 L2、 L3、 L4、 L5、 L6、 L7、 R5、 R6、 R7。 L1、L2、L3 因为需要连接 DDR3 ,BANK 的电压连接的是 1.5V;R5、R6、R7 因为需要连接 DDR4 ,BANK 的电压连接的是 1.2V;L4、L5 的电压为 3.3V, L6 和 L7 的 VCCIO 出厂设置为 2.5V,用户可根据需要更改 BANK 的电平。VVCC_HP 为 FPGA 的 HP IO 的逻辑电源供电电压, 需接 1.0V;VHSSTAVCC 为 FPGA 内部高速串行收发器 HSST 模拟电源电压,接 1.0V;VHSSTAVCCPLL 为 HSST PLL 模拟电源电压,接 1.2V;VHSSTVCCA 为 HSST 的 H PLL 辅助模拟电源电压,接 1.8V。

Titan2 FPGA 系统要求上电顺序分别为先 VCC 供电,再是 VCC_DRM, 然后是 VCCA,最后为 VCCIO。断电的顺序则相反。

(二) 时钟配置

AXP390 板上配有 2 个 Sitime 公司的有源晶振, 1 个是单端 50MHz 有源晶振,另一个是 差分 100MHz 有源差分晶振。另外还有 1 个 8 路输出时钟芯片。 50MHz 的晶振型号为 SiT8008-50, 100M 差分晶振型号为 SiT9121-100 ,可作为系统时钟;多路时钟输出芯片采 用 Si5332B,板中使用了其中 5 路,其中 2 路输出 100MHz,为 DDR3 与 DDR4 提供参考时 钟;另外 3 路为 156.25MHz 时钟,用于 HSST 收发器的参考时钟输入。

1). 50MHz 有源晶振

图 2-2-1 中的 X4 即为 50MHz 有源晶振电路,此时钟接到给 FPGA 内部的全局时钟管脚 上,可为 FPGA 提供的参考输入时钟。

图片内容:该图展示了一个50MHz有源晶振的电路图,包括电源(VDD)、输出(OUT)、接地(GND)以及控制引脚(OE)。电路中还包含电容(C691、C692)和电阻(R451、R452),用于稳定晶振的工作状态。此外,电路中还连接了L5_GCLK引脚,用于接收晶振输出的时钟信号。 图片作用:该图在文档中用于展示50MHz有源晶振的实际电路配置,帮助读者理解其在电路中的具体连接方式和工作原理。

图 2-2-2 50MHz 有源晶振

图 2-2-2 为 50M 有源晶振实物图

图片显示了一块电子元件,其上标有“X4”和“8761”。该元件可能是50MHz有源晶振,根据上下文信息,这与文档中提到的“图2-2-2 50MHz有源晶振”相吻合。图片中的元件为实物图,用于直观展示50MHz有源晶振的外观,帮助读者更好地理解其结构和安装方式。

图 2-2-2 50M 差分晶振实物图

时钟引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
L5_GCLKT26

2). 100MHz 差分晶振

图 2-2-3 中的 G1 即为 100MHz 有源差分电路,此时钟接到给 FPGA 内部的全局时钟管 脚上,可为 FPGA 提供的参考输入时钟,采用 Sitime 的 SiT9121-100MHz,出厂时默认不焊 接。

图片展示了一个100MHz差分晶振的电路图,其中G1为100MHz有源差分电路,连接到FPGA的全局时钟管脚上。电路中包含电阻R72、电容C260至C264、电感L28等元件,用于稳定和滤波。该电路图在文档中用于说明100MHz差分晶振的实物图和时钟引脚分配,为FPGA提供参考输入时钟。

图 2-2-3 100MHz 有源晶振 图 2-2-4 为 100M 差分有源晶振实物图(默认不焊)

图片显示了一个电路板上的100MHz差分有源晶振实物图。晶振的引脚清晰可见,其中SYS_CLK_P引脚对应AD12,SYS_CLK_N引脚对应AD11。该图片在文档中用于展示100MHz差分有源晶振的实际外观,帮助读者更好地理解其在电路中的安装和连接方式。

图 2-2-4 100M 差分晶振

时钟引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
SYS_CLK_PAD12
SYS_CLK_NAD11

3). 多路时钟

图 2-2-5 中的 U162 为 Si5332B 的多路时钟电路,此时钟为 DDR3、 DRR4、 HSST 模 块提供的参考输入时钟。电路中输出 2 路 100MHz 和 3 路 156.25MHz,分别连接到 DDR3、 DDR4 及 HSST BANK 的时钟管脚上。

图片内容为Si5332B时钟电路图,展示了U162芯片的多路时钟电路,输出2路100MHz和3路156.25MHz时钟信号,分别连接到DDR3、DDR4及HSST BANK的时钟管脚上。该电路图详细标注了各引脚的名称和功能,如SYS_CLK_P和SYS_CLK_N分别对应AD12和AD11引脚。图片在上下文中起到解释Si5332B多路时钟电路工作原理的作用,帮助读者理解时钟信号的分配和输出。

图 2-2-5 Si5332B 时钟电路 图 2-2-6 为 Si5332B 电路实物图

图片中展示了一块Si5332B芯片,其型号为D11025,底部有数字序列号D000RR 2035。该芯片是Si5332B多路时钟电路的一部分,用于为DDR3、DDR4及HSST模块提供参考输入时钟。图片在文档中用于说明图2-2-5中的U162为Si5332B的多路时钟电路,输出2路100MHz和3路156.25MHz时钟信号,分别连接到DDR3、DDR4及HSST BANK的时钟管脚上。

图 2-2-6 Si5332B 实物图

时钟引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚说明
DDR3_CLKREF_NE20DDR3 参考时钟 Negative
DDR3_CLKREF_PF20DDR3 参考时钟 Positive
DDR4_CLKREF_NAH10DDR4 参考时钟 Negative
DDR4_CLKREF_PAG10DDR4 参考时钟 Positive
CLK0_NR7HSSTREFCLK0_QR4 的 Negative
CLK0_PR8HSSTREFCLK0_QR4 的 Positive
CLK1_NG7HSSTREFCLK0_QR2 的 Negative
CLK1_PG8HSSTREFCLK0_QR2 的 Positive
CLK2_NC7HSSTREFCLK0_QR1 的 Negative
CLK2_PC8HSSTREFCLK0_QR1 的 Positive

(三) DDR3

开 发 板 上 配 有 四 片 Micron( 美 光 ) 的 512MB 的 DDR3 芯 片 , 型 号 为 MT41K256M16HA-125(兼容 MT41J256M16HA-125)。四片 DDR3 SDRAM 组成 64bit 的 总线宽度。因为 4 片 DDR3 芯片连接到 FPGA 的 HR 口, DDR3 SDRAM 的最高数据速率 800Mbps,四片 DDR3 存储系统直接连接到了 FPGA 的 BANK L1, BANK L2, BANK L3 的 接口上。 DDR3 SDRAM 的具体配置如下表 2-3-1 所示。

表2-3-1 DDR3 SDRAM配置

位号芯片型号容量厂家
U3,U4,U6,U7MT41K256M16HA-125

MT41J256M16HA-125
256M x 16bitMicron

DDR3 的硬件设计需要严格考虑信号完整性,我们在电路设计和 PCB 设计的时候已经充 分考虑了匹配电阻/终端电阻,走线阻抗控制,走线等长控制, 保证 DDR3 的高速稳定的工作。

FPGA 和 DDR3 DRAM 的硬件连接方式如图 2-3-1 所示:

图片展示了FPGA与4片DDR3 DRAM的硬件连接方式。FPGA通过三条数据线分别连接到DDR3 DRAM的U3-U7引脚,其中U3-U4连接数据低32位,U6-U7连接数据高32位。此外,地址线和控制线也通过U3-U7引脚连接到DDR3 DRAM。该图在上下文中用于说明FPGA和DDR3 DRAM的硬件连接方式,帮助读者理解DDR3 DRAM在FPGA系统中的实际应用。

图2-3-1 DDR3 DRAM原理图部分

图 2-3-2 为开发板的 4 片 DDR3 DRAM 实物图

图片中展示了四片DDR3 DRAM芯片,每片芯片上标有“1AP77 D9SHG”字样。这些芯片被安装在开发板上,排列整齐,清晰可见。图片在文档中用于展示开发板上实际安装的DDR3 DRAM芯片,与上下文中的表2-3-1和图2-3-1相呼应,进一步说明了DDR3 DRAM在开发板上的应用和配置。

图 2-3-2 4 片 DDR3 DRAM 实物图

4 片 DDR3 DRAM 引脚分配:

信号名称FPGA 引脚号
DDR3_D0K13
DDR3_D1L16
DDR3_D2J13
DDR3_D3L15
DDR3_D4K15
DDR3_D5L11
DDR3_D6J14
DDR3_D7K16
DDR3_D8H12
DDR3_D9G14
DDR3_D10H11
DDR3_D11G15
DDR3_D12J11
DDR3_D13G13
DDR3_D14J12
DDR3_D15H14
DDR3_D16F11
DDR3_D17D12
DDR3_D18D13
DDR3_D19E11
DDR3_D20F12
DDR3_D21D11
DDR3_D22E13
DDR3_D23A12
DDR3_D24A13
DDR3_D25E15
DDR3_D26E14
DDR3_D27C15
DDR3_D28B14
DDR3_D29A15
DDR3_D30B13
DDR3_D31B15
DDR3_D32D24
DDR3_D33D23
DDR3_D34E24
DDR3_D35F26
DDR3_D36A23
DDR3_D37G23
DDR3_D38E26
DDR3_D39B23
DDR3_D40C24
DDR3_D41A26
DDR3_D42C25
DDR3_D43C26
DDR3_D44B27
DDR3_D45A27
DDR3_D46D26
DDR3_D47A25
DDR3_D48C30
DDR3_D49A30
DDR3_D50D29
DDR3_D51D27
DDR3_D52E28
DDR3_D53C27
DDR3_D54E29
DDR3_D55B30
DDR3_D56H27
DDR3_D57G29
DDR3_D58H24
DDR3_D59H30
DDR3_D60F28
DDR3_D61G28
DDR3_D62H26
DDR3_D63G30
DDR3_DM0K14
DDR3_DM1H15
DDR3_DM2A11
DDR3_DM3F15
DDR3_DM4E23
DDR3_DM5B24
DDR3_DM6D28
DDR3_DM7F30
DDR3_DQS0_NL13
DDR3_DQS0_PL12
DDR3_DQS1_NH16
DDR3_DQS1_PJ16
DDR3_DQS2_NB12
DDR3_DQS2_PC12
DDR3_DQS3_NC14
DDR3_DQS3_PD14
DDR3_DQS4_NE25
DDR3_DQS4_PF25
DDR3_DQS5_NA28
DDR3_DQS5_PB28
DDR3_DQS6_NB29
DDR3_DQS6_PC29
DDR3_DQS7_NF27
DDR3_DQS7_PG27
DDR3_A0F21
DDR3_A1H17
DDR3_A2F22
DDR3_A3L18
DDR3_A4E19
DDR3_A5L17
DDR3_A6G20
DDR3_A7H20
DDR3_A8J18
DDR3_A9G22
DDR3_A10D16
DDR3_A11K18
DDR3_A12D19
DDR3_A13H19
DDR3_A14C21
DDR3_BA0K19
DDR3_BA1J17
DDR3_BA2E21
DDR3_CASD21
DDR3_CKE0C16
DDR3_CLK0_ND18
DDR3_CLK0_PD17
DDR3_ODTH21
DDR3_RASC22
DDR3_RESETJ19
DDR3_S0H22
DDR3_WED22

(四) DDR4

AXP390 开 发 板 上 配 有 4 片 Micron( 美 光 ) 的 2GB 的 DDR4 芯 片 , 型 号 为 MT40A1G16KD-062E,连接在FPGA的HP端,组成64位数据总线带宽和8GB的容量。DDR4 SDRAM的在FPGA端的最高运行数据速率是1866Mbps ,4片DDR4存储系统直接连接到了 BANK R5、 R6、 R7的存储器接口上。 DDR4 SDRAM的具体配置如下表2-4-1所示。

表 2-4-1 DDR4 SDRAM 配置

位号芯片型号容量厂家
U45,U47,U48,U49MT40A1G16KD-062E1G x 16bitMicron

DDR4 的硬件设计需要严格考虑信号完整性,我们在电路设计和 PCB 设计的时候已经充 分考虑了匹配电阻/终端电阻,走线阻抗控制,走线等长控制,保证 DDR4 的高速稳定的工作。

FPGA 端的 DDR4 的硬件连接方式如图 2-4-1 所示:

图片展示了FPGA与4片DDR4 DRAM之间的连接关系。FPGA通过数据64位和时钟地址线、控制线与DDR4 DRAM进行通信。DDR4 DRAM型号为MT40A1G16KD-062E,容量为1G x 16bit,由Micron生产。该图在上下文中用于说明FPGA端的DDR4硬件连接方式,帮助读者理解DDR4 DRAM在FPGA系统中的实际连接和数据传输路径。

图2-4-1 DDR4 DRAM原理图部分

图 2-4-2 为开发板的 4 片 DDR4 DRAM 实物图

图片展示了四片DDR4 DRAM芯片,每片芯片上都标有“OTE47 D8BHW”的标识。这些芯片是开发板上的关键组件,用于存储数据。图片在上下文中起到直观展示DDR4 DRAM实物的作用,帮助读者更好地理解硬件设计和连接方式。

图 2-4-2 4 片 DDR4 DRAM 实物图

DDR4 SDRAM 引脚分配:

信号名称引脚号
DDR4_D0AK1
DDR4_D1AJ4
DDR4_D2AJ2
DDR4_D3AJ3
DDR4_D4AJ1
DDR4_D5AH6
DDR4_D6AH2
DDR4_D7AH5
DDR4_D8AF2
DDR4_D9AF6
DDR4_D10AF1
DDR4_D11AE5
DDR4_D12AE1
DDR4_D13AF5
DDR4_D14AE4
DDR4_D15AF3
DDR4_D16AD3
DDR4_D17AD6
DDR4_D18AC2
DDR4_D19AC4
DDR4_D20AC1
DDR4_D21AC7
DDR4_D22AD4
DDR4_D23AE6
DDR4_D24AJ8
DDR4_D25AF7
DDR4_D26AJ6
DDR4_D27AG7
DDR4_D28AK6
DDR4_D29AF8
DDR4_D30AK5
DDR4_D31AK8
DDR4_D32AE15
DDR4_D33AA16
DDR4_D34AB15
DDR4_D35Y15
DDR4_D36AD14
DDR4_D37Y16
DDR4_D38AC14
DDR4_D39AA15
DDR4_D40AG18
DDR4_D41AH19
DDR4_D42AE19
DDR4_D43AK19
DDR4_D44AF18
DDR4_D45AG19
DDR4_D46AF17
DDR4_D47AJ19
DDR4_D48AD16
DDR4_D49AD18
DDR4_D50AD17
DDR4_D51AE18
DDR4_D52AB17
DDR4_D53AB19
DDR4_D54AA18
DDR4_D55AC19
DDR4_D56AF15
DDR4_D57AH17
DDR4_D58AG15
DDR4_D59AK16
DDR4_D60AK15
DDR4_D61AJ17
DDR4_D62AH15
DDR4_D63AE16
DDR4_DM0AH4
DDR4_DM1AE3
DDR4_DM2AC5
DDR4_DM3AK4
DDR4_DM4AA17
DDR4_DM5AD19
DDR4_DM6AB18
DDR4_DM7AG14
DDR4_DQS0_NAH1
DDR4_DQS0_PAG2
DDR4_DQS1_NAG3
DDR4_DQS1_PAG4
DDR4_DQS2_NAD1
DDR4_DQS2_PAD2
DDR4_DQS3_NAJ7
DDR4_DQS3_PAH7
DDR4_DQS4_NAC15
DDR4_DQS4_PAC16
DDR4_DQS5_NAK18
DDR4_DQS5_PAJ18
DDR4_DQS6_NY18
DDR4_DQS6_PY19
DDR4_DQS7_NAJ16
DDR4_DQS7_PAH16
DDR4_A0AB10
DDR4_A1AA12
DDR4_A2AB9
DDR4_A3AJ9
DDR4_A4AD8
DDR4_A5AA10
DDR4_A6AE8
DDR4_A7AB8
DDR4_A8Y11
DDR4_A9AC9
DDR4_A10AC10
DDR4_A11AA13
DDR4_A12AE9
DDR4_A13AA8
DDR4_ACT_BAC12
DDR4_BA0AD9
DDR4_BA1AG9
DDR4_BG0AC11
DDR4_CAS_BAK9
DDR4_CKEAF10
DDR4_CLK_NAF11
DDR4_CLK_PAE11
DDR4_CS_BAK11
DDR4_OTDAH9
DDR4_PARY10
DDR4_RAS_BAB12
DDR4_RSTAA11
DDR4_WE_BAE10

(五) QSPI Flash

板上使用了 4 片 128Mbit 大小的 QSPI FLASH 芯片,型号为 GD25Q127CYIG,它使用 3.3V CMOS 电压标准。由于它的非易失特性,在使用中, QSPI FLASH 可以作为 FPGA 系统的启动镜像。这些镜像主要包括 FPGA 的 bit 文件、 软核的应用程序代码以及其它的用户数据文件。

SPI FLASH的具体型号和相关参数见下表

表2-5-1 QSPI Flash的型号和参数

位号芯片类型容量厂家
U14、U52、U53、U54GD25Q127CYIG128M Bit兆易

QSPI FLASH 连接到 CPLD 芯片上,采用 Slave Parallel 模式。图 2-5-1 为 QSPI Flash 在硬件连接示意图, Host 为我们选用 CPLD。

图片展示了QSPI Flash与Titan2 FPGA之间的硬件连接示意图。图中,QSPI Flash通过SO、SI、SCLK和CS信号与Host相连,Host再通过CFG_CLK、CS_N、RWSEL和D7/15/31:0信号与Titan2 FPGA通信。此外,图中还标注了VCCIOCFG、RSTN和GND等电源和复位信号。该图在上下文中用于说明QSPI Flash与CPLD芯片的连接方式,以及在硬件设计中的具体实现。

图2-5-1 QSPI Flash连接示意图

图 2-5-2 为开发板上 QSPI Flash 的实物图

图片展示了四块GigaDevice AP2115芯片,芯片型号为25U127C711G,生产批次为EFN095。这些芯片被安装在开发板上,用于连接QSPI Flash。图片在文档中起到直观展示QSPI Flash在开发板上的实际安装情况的作用,帮助读者更好地理解硬件连接示意图中的内容。

图 2-5-2 QSPI FLASH 部分实物图

(六) 千兆以太网接口

AXP390 开发板上通过一片 KSZ9031RNX 以太网 PHY 芯片为用户提供网络通信服务。以 太网 PHY 芯片是连接到 Titan2 FPGA 的 IO 接口上。 KSZ9031RNX 芯片支持 10/100/1000 Mbps 网络传输速率,通过 RGMII 接口跟 FPGA 进行数据通信。KSZ9031RNX 支持MDI/MDX 自适应,各种速度自适应, Master/Slave 自适应,支持 MDIO 总线进行 PHY 的寄存器管理。

KSZ9031RNX 上电会检测一些特定的 IO 的电平状态,从而确定自己的工作模式。表 2-6-1 描述了 GPHY 芯片上电之后的默认设定信息。

表 2-6-1PHY 芯片默认配置值

配置 Pin 脚说明配置值
PHYAD[2:0]MDIO/MDC 模式的 PHY 地址PHY Address 为 011
CLK125_EN使能 125Mhz 时钟输出选择使能
LED_MODELED 灯模式配置单个 LED 灯模式
MODE0~MODE3链路自适应和全双工配置10/100/1000 自适应,兼 容全双工、半双工

当网络连接到千兆以太网时, FPGA 和 PHY 芯片 KSZ9031RNX 的数据传输时通过 RGMII 总线通信,传输时钟为 125Mhz,数据在时钟的上升沿和下降样采样。

当网络连接到百兆以太网时,FPGA 和 PHY 芯片 KSZ9031RNX 的数据传输时通过 RMII 总

线通信,传输时钟为 25Mhz。数据在时钟的上升沿和下降样采样。

图片展示了FPGA Titan2与以太网PHY芯片KSZ9031RNX的连接示意图。FPGA的ETH_TXCK、ETH_TXCTL、ETH_RXCK、ETH_RXCTL、ETH_TXD0~ETH_RXD3、ETH_MDC、ETH_MDIO和ETH_RESET引脚分别连接到PHY芯片的相应端口。此外,25MHz的时钟信号通过OSC提供给PHY芯片。图片在文档中用于说明FPGA与以太网PHY芯片的连接方式,帮助读者理解数据传输时钟和引脚分配。

图 2-6-1 为 FPGA 与以太网 PHY 芯片连接示意图:

图 2-6-2 为以太网 PHY 芯片的实物图

图片中展示了一块以太网PHY芯片实物图,芯片上清晰可见“ALINX”字样,表明这是ALINX品牌的以太网PHY芯片。芯片周围有多个引脚和连接器,显示其与FPGA或其他电路板的连接方式。图片在文档中用于直观展示以太网PHY芯片的外观,帮助读者更好地理解其在电路中的实际应用。

图 2-6-2 以太网 PHY 芯片实物图

以太网 PHY 的 FPGA 引脚分配如下:

信号名称FPGA 引脚号备注
PHY1_MDCY25MDIO 管理时钟
PHY1_MDIOAE26MDIO 管理数据
PHY1_RESETAK20PHY 芯片复位
PHY1_RXCAE28RGMII 接收时钟
PHY1_RXDVAG28接收数据有效信号
PHY1_RXD0AK28接收数据 Bit0
PHY1_RXD1AG27接收数据 Bit1
PHY1_RXD2AJ27接收数据 Bit2
PHY1_RXD3AH27接收数据 Bit3
PHY1_GTXCAJ26RGMII 发送时钟
PHY1_TXENAH26发送使能信号
PHY1_TXD0AF28发送数据 bit0
PHY1_TXD1AF27发送数据 bit1
PHY1_TXD2AF26发送数据 bit2
PHY1_TXD3AK26发送数据 bit3

(七) SFP 光纤接口

AXP390 扩展板上引出了 4 路 HSST 的作光纤通信接口,用户可以购买 SFP 光模块(市场上 1.25G, 10G、2.5G 光模块)插入到这 4 个光纤接口中进行光纤数据通信。4 路光纤接口分别跟 FPGA 的 HSST 收发器的 4 路 RX/TX 相连接,TX 信号和 RX 信号都是以差分信号方式连接 FPGA 和光模块,每路 TX 发送和 RX 接收数据速率高达 10Gb/s。 HSST 收发器的参考时钟由多路时钟芯片提供。

FPGA 和光纤设计示意图如下图 2-7-1 所示:

图片内容:该图展示了FPGA与SFP光模块之间的连接关系,包括SFP1_TX_N、SFP1_RX_P、SFP1_TX_P、SFP1_RX_N、SFP1_TX_DIS、SFP1_LOSS等信号线的连接方式。右侧的实物图显示了SFP1至SFP4光模块的外观。 图片作用:该图在文档中用于详细说明FPGA和光纤设计示意图,帮助读者理解两路光纤接口在扩展板上的实际连接情况,以及FPGA引脚与SFP光模块之间的信号分配。

图 2-7-1 光纤设计示意图

两路光纤接口在扩展板的实物图如下图所示:

图片内容:图片显示了一块电路板上的光纤接口区域,标记为SFP1至SFP4。每个SFP接口旁边都有相应的引脚编号,如D1、D2等,用于指示光纤模块的数据发送和接收。图片中还标有“SFP+ 1”、“SFP+ 2”等字样,表明这些接口支持SFP+标准。 图片作用:这张图片在文档中用于展示两路光纤接口在扩展板上的实物图,与上下文中提到的“两路光纤接口在扩展板的实物图”相呼应,帮助读者直观了解光纤接口的实际布局和标识。

图 2-7-2 两路光纤通信接口实物图

第 1 路光纤接口 FPGA 引脚分配如下:

网络名称FPGA 引脚备注
SFP1_TX_ND1SFP 光模块数据发送 Negative
SFP1_TX_PD2SFP 光模块数据发送 Positive
SFP1_RX_NE3SFP 光模块数据接收 Negative
SFP1_RX_PE4SFP 光模块数据接收 Positive
SFP1_TX_DISV19SFP 光模块光发射禁止,高有效
SFP1_LOSSV29SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号
SFP1_IIC_SCLT27SFP 光模块 IIC 的时钟
SFP1_IIC_SDAU27SFP 光模块 IIC 的数据

第 2 路光纤接口 FPGA 引脚分配如下:

网络名称FPGA 引脚备注
SFP2_TX_NC3SFP 光模块数据发送 Negative
SFP2_TX_PC4SFP 光模块数据发送 Positive
SFP2_RX_ND5SFP 光模块数据接收 Negative
SFP2_RX_PD6SFP 光模块数据接收 Positive
SFP2_TX_DISV20SFP 光模块光发射禁止,高有效
SFP2_LOSSV30SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号
SFP2_IIC_SCLU28SFP 光模块 IIC 的时钟
SFP2_IIC_SDAT25SFP 光模块 IIC 的数据

第 3 路光纤接口 FPGA 引脚分配如下:

网络名称FPGA 引脚备注
SFP3_TX_NB1SFP 光模块数据发送 Negative
SFP3_TX_PB2SFP 光模块数据发送 Positive
SFP3_RX_NB5SFP 光模块数据接收 Negative
SFP3_RX_PB6SFP 光模块数据接收 Positive
SFP3_TX_DISW23SFP 光模块光发射禁止,高有效
SFP3_LOSSV25SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号

第 4 路光纤接口 FPGA 引脚分配如下:

网络名称FPGA 引脚备注
SFP4_TX_NA3SFP 光模块数据发送 Negative
SFP4_TX_PA4SFP 光模块数据发送 Positive
SFP4_RX_NA7SFP 光模块数据接收 Negative
SFP4_RX_PA8SFP 光模块数据接收 Positive
SFP4_TX_DISW24SFP 光模块光发射禁止,高有效
SFP4_LOSSW26SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号

(八) QSFP+光纤接口

开发板上有一个四小体积可插入 QSFP+的光纤接口。光纤收发器集成了4 传送通道和 4 接收通道,这种 4通道的可插拔接口传输速率达到了 40Gbps。满足用户对更高密度的高速可 插拔光纤通信解决方案。

QSFP+的光纤接口的收发信号直接跟 FPGA 的 BANK HSST_QR2 收发器相连接,光纤的 4 路 TX 信号和 RX 信号都是直接跟 HSST 的收发器连接, 因为单路 HSST 的速率高达 13.125Gbps 带宽,所以 4 路光纤接口的速度可以高达 40Gbps。收发器的参考时钟由多路时 钟芯片 Si5332B 提供。

开发板的 QSFP+的光纤设计示意图如下图 2-8-1 所示, 其中光纤的控制信号连接到 FPGA 的 BANK L5。

图片展示了QSFP+光纤接口在开发板上的实物图,其中光纤模块连接到FPGA的BANK L5,并通过多个引脚与FPGA进行通信。图片中的QSFP+光模块和FPGA引脚分配图详细标注了信号的连接关系,包括RX和TX信号的正负极以及控制信号如MODSELL、RESETL等。图片在上下文中起到直观展示QSFP+光纤接口在开发板上的实际连接和布局的作用,帮助读者更好地理解光纤接口与FPGA之间的信号传输关系。

图 2-8-1 QSFP+光纤设计示意图

QSFP+光纤接口在开发板上的实物图如下图2-8-2 所示:

图片内容:图片显示了一个QSFP+光纤通信接口的实物图,接口上标有“QSFP+”字样,接口两侧有多个引脚,接口下方有“JTAG”和“LED”字样,接口右侧有一个圆形的连接器。 图片作用:该图片展示了QSFP+光纤接口在开发板上的实际外观,与上下文中提到的光纤设计示意图相呼应,帮助读者更好地理解QSFP+光纤接口在开发板上的布局和连接方式。

图 2-8-2 QSFP+光纤通信接口实物图

QSFP+光纤接口 FPGA 引脚分配如下:

网络名称FPGA 引脚备注
QSFP1_TX_NK1QSFP+第一路数据发送 Negative
QSFP1_TX_PK2QSFP+第一路数据发送 Positive
QSFP2_TX_NJ3QSFP+第二路数据发送 Negative
QSFP2_TX_PJ4QSFP+第二路数据发送 Positive
QSFP3_TX_NH1QSFP+第三路数据发送 Negative
QSFP3_TX_PH2QSFP+第三路数据发送 Positive
QSFP4_TX_NF1QSFP+第四路数据发送 Negative
QSFP4_TX_PF2QSFP+第四路数据发送 Positive
QSFP1_RX_NK5QSFP+第一路数据接收 Negative
QSFP1_RX_PK6QSFP+第一路数据接收 Positive
QSFP2_RX_NH5QSFP+第二路数据接收 Negative
QSFP2_RX_PH6QSFP+第二路数据接收 Positive
QSFP3_RX_NG3QSFP+第三路数据接收 Negative
QSFP3_RX_PG4QSFP+第三路数据接收 Positive
QSFP4_RX_NF5QSFP+第四路数据接收 Negative
QSFP4_RX_PF6QSFP+第四路数据接收 Positive
QSFP_MODSELLU22模式选择,低电平 I2C 有效
QSFP_RESETLU23复位信号,低电平复位
QSFP_MODPRSLV21光模块存在信号,低电平有效
QSFP_INTLV22中断信号,低电平有效
QSFP_LPMODEU24低功耗模式选择
QSFP_SCLW21I2C 时钟信号
QSFP_SDAW22I2C 数据信号

(九) PCIe 插槽

开发板上有一个 PCIe x8 的接口,PCIE 卡的外形尺寸符合标准 PCIe 卡电气规范要求,可 直接在普通 PC 的x8 PCIe 插槽上使用。开发板和电脑之间能实现 PCIEex8,PCIEex4, PCIex2, PCIex1 的数据通信。

PCIe 接口的收发信号直接跟 FPGA BANK HSST 相连接,8 路 TX 信号和 RX 信号都是以 差分信号方式连接到 BANK HSST 的 QR3 与 QR4 上,支持 PCI Express 2.0 标准,单通道通 信速率可高达 5Gbps。

开发板的 PCIe 接口的设计示意图如下图 2-9-1 所示,其中 TX 发送信号用 AC 耦合模式连 接。

图片展示了PCIe x8接口的电路设计示意图,其中FPGA BANK HSST通过差分信号方式连接到QR3和QR4上,支持PCI Express 2.0标准,单通道通信速率可达5Gbps。图片中的箭头和数字序号清晰地标注了信号的流向和连接关系,帮助读者理解PCIe接口的具体连接方式。

图 2-9-1 PCIe x 8 接口设计示意图

PCIex8 接口在的实物图如下图 2-9-2 所示:

图片显示了一个PCIe x8接口的实物图,接口两侧各有一排金色的引脚,用于信号传输。接口的两侧分别有数字标识,左侧为1至8,右侧为9至16,这些标识可能对应于FPGA引脚分配表中的编号。图片在上下文中起到直观展示PCIe x8接口实物的作用,帮助读者更好地理解开发板的PCIe接口设计。

图 2-9-2 PCIe x8 接口实物图

PCIe x8 接口 FPGA 引脚分配如下:

信号名称FPGA 引脚备注
PCIE_CLK_NL7PCIE 参考时钟 Negative
PCIE_CLK_PL8PCIE 参考时钟 Positive
PCIE_PERSTV24PCIE 板卡的复位信号
PCIE_RX0_NM5PCIE 通道 0 数据接收 Negative
PCIE_RX0_PM6PCIE 通道 0 数据接收 Positive
PCIE_RX1_NP5PCIE 通道 1数据接收 Negative
PCIE_RX1_PP6PCIE 通道 1 数据接收 Positive
PCIE_RX2_NR3PCIE 通道 2 数据接收 Negative
PCIE_RX2_PR4PCIE 通道 2 数据接收 Positive
PCIE_RX3_NT5PCIE 通道 3 数据接收 Negative
PCIE_RX3_PT6PCIE 通道 3 数据接收 Positive
PCIE_RX4_NV5PCIE 通道 4 数据接收 Negative
PCIE_RX4_PV6PCIE 通道 4 数据接收 Positive
PCIE_RX5_NW3PCIE 通道 5 数据接收 Negative
PCIE_RX5_PW4PCIE 通道 5 数据接收 Positive
PCIE_RX6_NY5PCIE 通道 6 数据接收 Negative
PCIE_RX6_PY6PCIE 通道 6 数据接收 Positive
PCIE_RX7_NAA3PCIE 通道 7 数据接收 Negative
PCIE_RX7_PAA4PCIE 通道 7 数据接收 Positive
PCIE_TX0_NL3PCIE 通道 0 数据发送 Negative
PCIE_TX0_PL4PCIE 通道 0 数据发送 Positive
PCIE_TX1_NM1PCIE 通道 1数据发送 Negative
PCIE_TX1_PM2PCIE 通道 1 数据发送 Positive
PCIE_TX2_NN3PCIE 通道 2 数据发送 Negative
PCIE_TX2_PN4PCIE 通道 2 数据发送 Positive
PCIE_TX3_NP1PCIE 通道 3 数据发送 Negative
PCIE_TX3_PP2PCIE 通道 3 数据发送 Positive
PCIE_TX4_NT1PCIE 通道 4 数据发送 Negative
PCIE_TX4_PT2PCIE 通道 4 数据发送 Positive
PCIE_TX5_NU3PCIE 通道 5 数据发送 Negative
PCIE_TX5_PU4PCIE 通道 5 数据发送 Positive
PCIE_TX6_NV1PCIE 通道 6 数据发送 Negative
PCIE_TX6_PV2PCIE 通道 6 数据发送 Positive
PCIE_TX7_NY1PCIE 通道 7 数据发送 Negative
PCIE_TX7_PY2PCIE 通道 7 数据发送 Positive

(十) 温度传感器

AXP390 开发板上安装了一个高精度、低功耗、数字温度传感器芯片, 型号为 ON Semiconductor 公司的 LM75A。 LM75A 芯片的温度精度为 0.125 度,传感器和 FPGA 直接 为 I2C 数字接口, FPGA 通过 I2C 接口来读取当前开发板附近的温度。下图 2-10-1 为 LM75A 传感器芯片的设计示意图

图片内容:该图展示了FPGA Titan2与LM75A传感器之间的连接示意图。FPGA Titan2通过引脚W19和R19分别连接到LM75A的SCL和SDA引脚,形成I2C通信接口。此外,图中还标注了3.3V电源连接点。 图片作用:此图在文档中用于说明LM75A传感器与FPGA Titan2之间的硬件连接方式,帮助读者理解传感器如何通过I2C协议与FPGA进行通信。

图 2-10-1 LM75A 传感器原理图部分

下图为 LM75A 传感器实物图

图片内容:这是一张LM75A传感器的实物图,图中可以看到LM75A芯片及其周围的电路板。芯片上标有“LM75A”字样,下方有数字“09”和“10”,表明这是LM75A传感器的型号标识。图片在上下文中起到直观展示LM75A传感器实物的作用,帮助读者更好地理解其外观和结构。

图 2-10-2 LM75A 传感器实物图

LM75A 传感器引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
PLL_SCLW19
PLL_SDAR19

(十一) SD 卡槽

SD 卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体闪存工艺的存储卡, 1999 年由 日本松下主导概念,参与者东芝和美国SanDisk 公司进行实质研发而完成。2000 年这几家公 司发起成立了 SD 协会(Secure Digital Association 简称 SDA),阵容强大,吸引了大量厂商 参加。其中包括 IBM ,Microsoft ,Motorola ,NEC、Samsung 等。在这些领导厂商的推动 下,SD 卡已成为目前消费数码设备中应用最广泛的一种存储卡。

SD 卡是现在非常常用的存储设备,我们扩展出来的 SD 卡,支持 SPI 模式和 SD 模式, 使用的 SD 卡为 MicroSD 卡。原理图如下图 2-11-1 所示。

图片内容描述:该图展示了FPGA Titan2与SD卡槽之间的引脚连接关系,其中FPGA Titan2的引脚N21、P23、N22、N25、N26、N19、N20分别对应SD_CLK、SD_CD、SD_CMD、SD_D0、SD_D1、SD_D2、SD_D3,通过这些引脚实现数据传输和控制信号的连接。图片中还标注了SD卡槽的引脚名称和FPGA Titan2的对应引脚,方便读者理解SD卡槽与FPGA Titan2之间的连接方式。 图片在上下文中的作用:这张图片是文档中关于SD卡槽原理图的补充说明,通过实物图直观展示了SD卡槽与FPGA Titan2之间的实际连接方式,帮助读者更好地理解SD卡槽的引脚分配和工作原理。

图 2-11-1 SD 卡槽原理图

图 2-11-2 为开发板上 SD 卡槽实物图

图片显示了一个SD卡槽的实物图,卡槽上标有“SD Card”字样,卡槽内部有多个引脚,包括SD_CLK、SD_CD、SD_CMD、SD_D0、SD_D1、SD_D2和SD_D3。这些引脚分别对应FPGA引脚N21、P23、N22、N25、N26、N19和N20。图片在文档中用于展示SD卡槽的实际外观,帮助读者更好地理解SD卡槽的物理结构及其与FPGA引脚的对应关系。

图 2-11-2 SD 卡槽实物图

SD 卡槽引脚分配

SD 模式
引脚名称FPGA 引脚
SD_CLKN21
SD_CDP23
SD_CMDN22
SD_D0N25
SD_D1N26
SD_D2N19
SD_D3N20

(十二) USB 转串口

AXP390 开发板包含了 Silicon Labs CP2102GM 的 USB-UAR 芯片, USB 接口采用 MINI USB 接口,可以用一根 USB 线将它连接到上 PC 的 USB 口进行串口数据通信 。

USB Uart 电路设计的示意图如下图所示:

图片内容:该图展示了USB转串口电路的示意图,其中FPGA通过UART_TXD和UART_RXD分别连接到CP2102芯片的RXD和TXD引脚,CP2102芯片再通过Micro USB接口与外部设备连接。图中还标注了FPGA的引脚P21和P22分别对应UART_RXD和UART_TXD。 图片作用:此图在文档中用于说明USB转串口电路的设计,帮助读者理解FPGA与CP2102芯片之间的信号传输关系,以及CP2102芯片与Micro USB接口的连接方式。

图 2-12-1 USB 转串口示意图

下图为 USB 转串口的实物图

图片内容:该图片展示了一块电路板,电路板上有一个USB接口和一个串口接口。USB接口旁边有“USB”字样,串口接口旁边有“ETH”字样。电路板上还有多个引脚和一些电子元件。 图片作用:这张图片是USB转串口电路设计的实物图,位于文档中“图2-12-2 USB转串口实物图”部分,用于直观展示USB转串口的实际连接情况,帮助读者更好地理解USB转串口电路的设计和实现。

图 2-12-2 USB 转串口实物图

UART 转串口的 FPGA 引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
UART_RXDP21
UART_TXDP22

(十三)FMC 连接器

AXP390 开发板带有一个标准的 FMC LPC 的扩展口,可以外接我们黑金的各种 FMC 模 块(HDMI输入输出模块,高速 AD 模块等等)。 FMC 扩展口包含 34 对差分 IO 信号和一路 I2C 总线信号。

FMC 扩展口的 33 对差分信号连接到 FPGA 芯片的 BANK12, BANK13 的 IO 上,BANK12 和 BANK13 的 IO 电平标准是由 BANK 的电压 VADJ 决定的,默认为+2.5V,使得连接 FMC 的 34 对差分信号支持 LVDS 数据通信。 FPGA 和 FMC 连接器的原理图如图 2-13-1 所示。

图片内容:该图展示了FPGA与FMC连接器之间的连接关系,FPGA的BANK L6和BANK L7通过差分信号FMC_LA00_P/N至FMC_LA33_P/N与FMC连接器相连,同时FPGA的FMC_CLK0_P/N和FMC_CLK0_N分别连接到FMC连接器的FMC_CLK0_P/N和FMC_CLK0_N,FPGA的FMC_SCL和FMC_SDA则分别连接到FMC连接器的FMC_SCL和FMC_SDA。 图片作用:此图在文档中用于直观展示FPGA与FMC连接器的连接方式,帮助读者理解FMC扩展口的33对差分信号如何连接到FPGA芯片的BANK12和BANK13的IO上,以及FMC连接器引脚的具体分配情况。

图 2-13-1 FMC 连接器连接示意图

图 2-13-2 为开发板上 FMC 连接器实物图

图片显示了一个FMC连接器的实物图,连接器上有多个金色的引脚,排列整齐。连接器的左侧有数字序号标识,右侧有部分电路板的标识。图片在文档中用于展示FMC连接器的实物形态,与上下文中的图2-13-1原理图相呼应,帮助读者更好地理解FMC连接器的实际外观和结构。

图 2-13-2 FMC 连接器实物图

FMC 连接器引脚分配

信号名称FPGA 引脚号备注
FMC_CLK0_NAC27
FMC_CLK0_PAB27FMC参考第1路参考时钟P
FMC_CLK1_NAG23FMC参考第2路参考时钟N
FMC_CLK1_PAF22FMC参考第2路参考时钟P
FMC_LA00_CC_NAH29FMC参考第0路数据(时钟) N
FMC_LA00_CC_PAG29FMC参考第0路数据(时钟) P
FMC_LA01_CC_NAD28FMC参考第1路数据(时钟) N
FMC_LA01_CC_PAD27FMC参考第1路数据(时钟) P
FMC_LA02_NAK30FMC参考第2路数据N
FMC_LA02_PAK29FMC参考第2路数据P
FMC_LA03_NAJ29FMC参考第3路数据N
FMC_LA03_PAJ28FMC参考第3路数据P
FMC_LA04_NAH30FMC参考第4路数据N
FMC_LA04_PAG30FMC参考第4路数据P
FMC_LA05_NAD26FMC参考第5路数据N
FMC_LA05_PAC26FMC参考第5路数据P
FMC_LA06_NAB25FMC参考第6路数据N
FMC_LA06_PAA25FMC参考第6路数据P
FMC_LA07_NAE29FMC参考第7路数据N
FMC_LA07_PAD29FMC参考第7路数据P
FMC_LA08_NAF30FMC参考第8路数据N
FMC_LA08_PAE30FMC参考第8路数据P
FMC_LA09_NAA26FMC参考第9路数据N
FMC_LA09_PY26FMC参考第9路数据P
FMC_LA10_NAC30FMC参考第10路数据N
FMC_LA10_PAC29FMC参考第10路数据P
FMC_LA11_NAA28FMC参考第11路数据N
FMC_LA11_PY28FMC参考第11路数据P
FMC_LA12_NAB30FMC参考第12路数据N
FMC_LA12_PAB29FMC参考第12路数据P
FMC_LA13_NAB28FMC参考第13路数据N
FMC_LA13_PAA27FMC参考第13路数据P
FMC_LA14_NW28FMC参考第14路数据N
FMC_LA14_PW27FMC参考第14路数据P
FMC_LA15_NY29FMC参考第15路数据N
FMC_LA15_PW29FMC参考第15路数据P
FMC_LA16_NAA30FMC参考第16路数据N
FMC_LA16_PY30FMC参考第16路数据P
FMC_LA17_CC_NAH24FMC参考第17路数据(时钟)N
FMC_LA17_CC_PAG24FMC参考第17路数据(时钟)P
FMC_LA18_CC_NAE24FMC参考第18路数据(时钟)N
FMC_LA18_CC_PAD23FMC参考第18路数据(时钟)P
FMC_LA19_NAK24FMC参考第19路数据N
FMC_LA19_PAK23FMC参考第19路数据P
FMC_LA20_NAK25FMC参考第20路数据N
FMC_LA20_PAJ24FMC参考第20路数据P
FMC_LA21_NAF21FMC参考第21路数据N
FMC_LA21_PAF20FMC参考第21路数据P
FMC_LA22_NAH25FMC参考第22路数据N
FMC_LA22_PAG25FMC参考第22路数据P
FMC_LA23_NAC21FMC参考第23路数据N
FMC_LA23_PAC20FMC参考第23路数据P
FMC_LA24_NAF23FMC参考第24路数据N
FMC_LA24_PAE23FMC参考第24路数据P
FMC_LA25_NAE21FMC参考第25路数据N
FMC_LA25_PAD21FMC参考第25路数据P
FMC_LA26_NAB23FMC参考第26路数据N
FMC_LA26_PAB22FMC参考第26路数据P
FMC_LA27_NY24FMC参考第27路数据N
FMC_LA27_PY23FMC参考第27路数据P
FMC_LA28_NAD22FMC参考第28路数据N
FMC_LA28_PAC22FMC参考第28路数据P
FMC_LA29_NAF25FMC参考第29路数据N
FMC_LA29_PAE25FMC参考第29路数据P
FMC_LA30_NAC25FMC参考第30路数据N
FMC_LA30_PAB24FMC参考第30路数据P
FMC_LA31_NAD24FMC参考第31路数据N
FMC_LA31_PAC24FMC参考第31路数据P
FMC_LA32_NAA21FMC参考第32路数据N
FMC_LA32_PY21FMC参考第32路数据P
FMC_LA33_NAA23FMC参考第33路数据N
FMC_LA33_PAA22FMC参考第33路数据P
FMC_PRSNTM24FMC 复位,低有效
FMC_SCLM22FMC I2C总线时钟
FMC_SDAM23FMC I2C总线数据

(十四) 扩展口

开发板预留了 1 个 2.54mm 标准间距的 40 针的扩展口J16,用于连接黑金的各个模块或 者用户自己设计的外面电路,扩展口有 40 个信号,其中,5V 电源 1 路,3.3V 电源 2 路,地 3 路,IO 口 34 路。切勿 IO 直接跟 5V 设备直接连接,以免烧坏 FPGA。如果要接 5V 设备, 需要接电平转换芯片。

在扩展口和 FPGA 连接之间串联了 33 欧姆的排阻,用于保护 FPGA 以免外界电压或电流 过高造成损坏,扩展口(J16)的电路如下图 2-14-1 所示

图片内容:该图展示了J16扩展口的实物图,其中Pin1和Pin2已经标示在板上。引脚从1到40依次排列,每个引脚都标注了对应的FPGA引脚编号和电压值,如Pin1标注为GND,Pin2标注为+5V。此外,图中还标示了+3.3V和+5V的电源连接点。 图片作用:该图在文档中用于直观展示J16扩展口的实际连接情况,帮助读者更好地理解扩展口的引脚分配和电源连接,从而更好地使用AXP390开发板。

图 2-14-1 扩展口 J16 原理图

下图为 J16 扩展口实物图,扩展口的 Pin1, Pin2 已经在板上标示出。

图片显示了一个扩展口J16的实物图,该接口包含多个引脚,其中引脚1连接到GND,引脚2连接到+5V。图片中的引脚排列整齐,清晰地展示了FPGA引脚的分配情况。在文档中,这张图片用于直观展示J16扩展口的实际外观,帮助读者更好地理解其引脚分配和连接方式。

图 2-14-2 扩展口J16 实物图

J16 扩展口 FPGA 的引脚分配

引脚编号FPGA 引脚引脚编号FPGA 引脚
1GND2+5V
3J244J23
5J226J21
7J268K26
9K3010L30
11L2812M28
13M2714N27
15N3016N29
17L2718L26
19J2820J27
21H2922J29
23K2924K28
25L2026M20
27K2128L21
29L2330L22
31K2432K23
33K2534L25
35M3036M29
37GND38GND
39+3.3V40+3.3V

(十五) JTAG 接口

开发板预留了 2 个 JTAG 接口,1 个 10 针 间距 2.54mm 的 JTAG 接口和 1 个 14 针 间 距 2.00mmJTAG 接口。用于调试 FPGA 程序和固化程序到 FLASH。为了带电插拔造成对 FPGA 芯片的损坏,我们在 JTAG 信号上添加了保护二极管来保证信号的电压在 FPGA 和 CPLD 接受的范围,避免器件损坏。

1) 10 针 JTAG 接口

10 针间距 2.54mm的 JTAG 接口连接到 FPGA 芯片,其作用主要用于 FPGA 程序调试, 不能用此 JTAG 接口进行程序固化。其原理图如下:

图片展示了一个JTAG接口的原理图,图中详细标注了FPGA的TCK、TDO、TMS和TDI信号线与JTAG接口的连接方式。此外,图中还标注了5个BAT54S二极管用于保护电路。该原理图在文档中用于说明JTAG接口的连接方式,帮助读者理解JTAG线在扩展板上的实际布局和连接细节。

图 2-15-1 JTAG 接口原理图

下图为扩展板上 JTAG 接口实物图,JTAG 线插拔的时候注意不要热插拔。

图片显示了一个14针JTAG接口,接口间距为2.00mm。接口上标有“JTAG”字样,接口的引脚排列整齐,颜色为黑色。该接口用于连接到CPLD芯片,通过此接口可以固化程序到4片QSPI flash,利用CPLD快速加载程序到FPGA,满足PCIe上电要求。此接口还用于固化FPGA程序到flash中。图片在上下文中用于展示JTAG接口的实物图,帮助读者理解其在电路中的实际应用。

图 2-15-2 JTAG 接口实物图

2) 14 针 JTAG 接口

14 针间距 2.00mm 的 JTAG 接口连接到 CPLD 芯片,其作用可通过此接口固化程序到

4 片 QSPI flash,利用 CPLD 快速加载程序到 FPGA,满足 PCIe 上电要求 ,此 JTAG 接口 可用来固化 FPGA 程序到flash 中。其原理图如下:

图片展示了一个JTAG接口的实物图,图中清晰标注了JTAG接口的各个引脚及其对应的功能,如CPLD_TCK、CPLD_TDO、CPLD_TDI、CPLD_TMS等。这些引脚通过特定的连接方式与CPLD芯片相连,用于固化程序到4片QSPI flash,以及快速加载程序到FPGA,满足PCIe上电要求。此图在文档中用于直观展示JTAG接口的实际连接情况,帮助读者更好地理解其在开发板中的应用。

图 2-15-3 JTAG 接口原理图

下图为扩展板上 JTAG 接口实物图,JTAG 线插拔的时候注意不要热插拔。

图片显示了一个14针JTAG接口,针脚间距为2.00mm。接口被设计用于连接到CPLD芯片,通过此接口可以固化程序到4片QSPI flash,利用CPLD快速加载程序到FPGA,满足PCIe上电要求。此接口还用于固化FPGA程序到flash中。图片在文档中用于展示JTAG接口的实物图,帮助读者理解其结构和连接方式。

图 2-15-4 JTAG 接口实物图

固化程序时采取从并模式加载, 下载器连接 14 针的 JTAG,将拨动开关 SW2 的开关 1、 2、3 分别设置:1:OFF ,2:ON ,3:ON,即 mode[2:0]=110,并且将拨动开关 SW3 的设 置 1 :OFF ,2 :ON 即可。

(十六) 按键

开发板上有 3 个按键 RESET、KEY1、KEY2 ,RESET 个用于 FPGA 系统复位,用户不能编 程;KEY1、KEY2 是 2 个用户按键,连接到 FPGA 的普通 IO 按键按键低电平有效,当按键按 下,FPGA 的 IO 输入电压为低,当没有按键按下时 ,FPGA 的 IO 输入电压为高。按键部分电路如下图 2-16-1 所示

图片内容:该图展示了FPGA与按键的硬件连接示意图。FPGA通过三个引脚(R28、T28、U34)分别连接到按键RESET、KEY1和KEY2。RESET用于FPGA复位,而KEY1和KEY2为用户按键,低电平有效。图中还显示了3.3V电源和地线的连接。 图片作用:此图在文档中用于说明开发板上按键的硬件设计,特别是FPGA与按键之间的连接关系。它帮助读者理解按键如何与FPGA的IO引脚相连,并且按键的低电平有效特性如何实现。

图 2-16-1 按键硬件设计示意图

图 2-16-2 为开发板上 3 个按键实物图

图片展示了开发板上的三个按键:RESET、KEY1和KEY2。RESET按键用于FPGA系统复位,用户不能编程;KEY1和KEY2是用户按键,连接到FPGA的普通IO,按键低电平有效。图片在上下文中起到直观展示开发板上按键布局的作用,帮助读者更好地理解按键的功能和位置。

图 2-16-2 按键实物图

用户按键 FPGA 引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
KEY1R28
KEY2T28

(十七) LED 灯

开发板上有 6 个红色 LED 灯,其中 1 个是电源指示灯(PWR), 1 个是程序配置指示灯 (DONE),4 个是用户 LED 灯(LED1~LED4)。当开发板供电后, 电源指示灯会亮起。程序 加载完成后 DONE 灯会亮,用户 LED1~LED4 通过三极管连接到 FPGA 的普通 IO,当连接用 户 LED 灯的 IO 电压配置为高电平时,用户 LED 灯点亮,当连接 IO 电压配置为低电平时,用 户 LED 会被熄灭。

LED 灯硬件连接的示意图如图 2-17-1 所示

图片内容:该图展示了FPGA与LED灯的硬件连接示意图。FPGA通过BANK0和BANK L7与LED1至LED4相连,每个LED灯通过3.3V电源供电,并通过电阻与FPGA相连。此外,图中还显示了DONE信号的连接。 图片作用:此图在文档中用于说明LED灯硬件连接的示意图,帮助读者理解FPGA与LED灯之间的硬件连接关系,为后续的LED灯硬件设计提供参考。

图 2-17-1 LED 灯硬件设计示意图

图 2-17-2 为扩展板上 8 个用户 LED 灯实物图

图片内容:图片显示了扩展板上的8个用户LED灯实物图,每个LED灯旁边都有相应的引脚标识,如LED1对应AJ22引脚,LED2对应AJ23引脚等。图片中还清晰地标注了LED灯的序号和位置,方便用户识别和连接。 图片作用:这张图片在文档中用于展示扩展板上8个用户LED灯的实物图,帮助读者直观地了解LED灯在扩展板上的实际位置和连接方式,从而更好地进行硬件连接和参数配置。

图 2-17-2 用户 LED 灯实物图

LED 灯 FPGA 引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
LED1AJ22
LED2AJ23
LED3AG20
LED4AH20

(十八)电源

开发板的电源输入电压为 DC12V ,外接+12V 电源给板子供电。外接电源供电时请使用 开发板自带的电源,不要用其他规格的电源,以免损坏开发板。 +12V 输入电源通过 DCDC 电 源芯片 MYMGK1R820 产生+1.0V 的 FPGA 核心电源,输出电流高达 20A,满足 FPGA 的核 心电压的电流需求。另外+12V 通过 3 路 DC/DC 电源芯片 ETA1471FT2G 分别产生 2 路+5V 和+3.3V 这 3 路电源。其中 1 路+5V 电源再通过 DCDC 芯片 ETA9351Q4Y 来产生+1.8V, +1.5V,VADJ(+2.5V)、VCCA_IO_GO、 +1.2V 这 5 路电源,给 FPGA 外设、DDR3、DDR4 供电。 另外 1 路+5V 电源再通过 DCDC 芯片 ETA9351Q4Y 产生 HSST 所需的+1.2V (HSST_AVTT)电源, +1.8V(HSST_VCCA), +1.2V(网络芯片)电源这 3 路电源; 同时 通过 DCDC 芯片 ETA8156FT2G 产生 HSST 所需的+1.0V(HSST_AVCC)电源。此外 DDR3 和 DDR4 的 VTT 和 VREF 电压由 SY6355DBC 芯片来产生,FPGA 的 ADC 参考电压由CYT432 芯片产生。

板上的电源设计示意图如下图 2-18-1 所示:

图片展示了一个电源设计示意图,其中DC+12V电源通过DCDC芯片ETA9351Q4Y产生HSST所需的+1.2V、+1.8V和+1.2V电源,以及通过ETA8156FT2G产生+1.0V电源。此外,DDR3和DDR4的VTT和VREF电压由SY6355DBC芯片产生,FPGA的ADC参考电压由CYT432芯片产生。该图在上下文中用于说明电源设计的具体实现方式,帮助读者理解电源分配的详细过程。

图 2-18-1 原理图中电源接口部分

各个电源分配的功能如下表所示:

电源功能
+1.0VFPGA 的内核电压, DRM 电源
+3.3VFPGA Bank0,Bank L4 , Bank L5 , QSIP FLASH, Clock 晶振, SD 卡,SFP 光模块
+1.8VFPGA 辅助电压,网络芯片
VCCA_IO_GOIO 专用模拟电源
+1.5VDDR3, FPGA Bank L1,Bank L2, Bank L3
+1.2VDDR4, FPGA Bank R5,Bank R6, Bank R7
VADJ(+2.5V)FPGA Bank L6 Bank L7, FMC
DDR3_VREF, DDR3_VTTDDR3
DDR4_VREF, DDR4_VTTDDR4
HSST_AVCC (+1.0V)FPGA Bank HSST_QR1, HSST_QR2、 HSST_QR3、 B HSST_QR4
HSST_AVTT(+1.2V)FPGA Bank HSST_QR1, HSST_QR2 、
HSST_QR3、 B HSST_QR4
HSST_VCCA (+1.8V)FPGA HSST 辅助电压
+1V25FPGA ADC 外部参考电源

(十九) 风扇

因为 FPGA 芯片正常工作时会产生大量的热量,我们在板上为芯片增加了一个散热片和风扇, 防止芯片过热。风扇的控制由 FPGA 芯片来控制,控制管脚连接到 BANK L7 的 IO 上,如果 IO 电平输出为高, MOSFET 管导通,风扇工作,如果 IO 电平输出为低,风扇停止。板上的风扇设 计图如下图 2-19-1 所示:

图片展示了一个风扇控制电路的原理图,其中FAN_PWM信号通过电阻R214和R1041连接到FPGA芯片的AK21引脚。电路中还包括一个NPN晶体管Q12(MMBT3904LT1G)和一个二极管D14(B340A),用于保护电路。此外,电路还包括一个电容C1850(100μF/16V)和一个电阻R435(10R)。该电路设计用于控制风扇的启停,通过FPGA芯片的IO电平输出来驱动MOSFET管Q5(NDT3055L),从而控制风扇的工作状态。

图2-19-1 开发板原理图中风扇设计

FPGA 引脚分配:

引脚名称FPGA 引脚
FAN_PWMAK21

(二十) 结构尺寸图

图片内容:这是一张开发板的结构尺寸图,图中标注了开发板的长宽尺寸分别为98mm和96mm,同时标注了开发板上各部分的尺寸,如FPGA芯片区域的尺寸为17.5mm x 18.8mm。此外,图中还标注了开发板上的其他关键组件和连接点。 图片作用:这张结构尺寸图在文档中用于展示开发板的物理尺寸和布局,帮助读者理解开发板的整体结构和各部分的相对位置,为后续的硬件设计和安装提供参考。

正面图(Top View)

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