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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。
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:
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 2-1-1 为开发板所用的 FPGA 芯片实物图。
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 x8 | 1 |
| HSSTHP | 16 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 2-2-2 50MHz 有源晶振
图 2-2-2 为 50M 有源晶振实物图
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_GCLK | T26 |
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 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 2-2-4 100M 差分晶振
时钟引脚分配:
| 引脚名称 | FPGA 引脚 |
|---|---|
| SYS_CLK_P | AD12 |
| SYS_CLK_N | AD11 |
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 2-2-5 Si5332B 时钟电路 图 2-2-6 为 Si5332B 电路实物图
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_N | E20 | DDR3 参考时钟 Negative |
| DDR3_CLKREF_P | F20 | DDR3 参考时钟 Positive |
| DDR4_CLKREF_N | AH10 | DDR4 参考时钟 Negative |
| DDR4_CLKREF_P | AG10 | DDR4 参考时钟 Positive |
| CLK0_N | R7 | HSSTREFCLK0_QR4 的 Negative |
| CLK0_P | R8 | HSSTREFCLK0_QR4 的 Positive |
| CLK1_N | G7 | HSSTREFCLK0_QR2 的 Negative |
| CLK1_P | G8 | HSSTREFCLK0_QR2 的 Positive |
| CLK2_N | C7 | HSSTREFCLK0_QR1 的 Negative |
| CLK2_P | C8 | HSSTREFCLK0_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,U7 | MT41K256M16HA-125 或 MT41J256M16HA-125 | 256M x 16bit | Micron |
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 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_D0 | K13 |
| DDR3_D1 | L16 |
| DDR3_D2 | J13 |
| DDR3_D3 | L15 |
| DDR3_D4 | K15 |
| DDR3_D5 | L11 |
| DDR3_D6 | J14 |
| DDR3_D7 | K16 |
| DDR3_D8 | H12 |
| DDR3_D9 | G14 |
| DDR3_D10 | H11 |
| DDR3_D11 | G15 |
| DDR3_D12 | J11 |
| DDR3_D13 | G13 |
| DDR3_D14 | J12 |
| DDR3_D15 | H14 |
|---|---|
| DDR3_D16 | F11 |
| DDR3_D17 | D12 |
| DDR3_D18 | D13 |
| DDR3_D19 | E11 |
| DDR3_D20 | F12 |
| DDR3_D21 | D11 |
| DDR3_D22 | E13 |
| DDR3_D23 | A12 |
| DDR3_D24 | A13 |
| DDR3_D25 | E15 |
| DDR3_D26 | E14 |
| DDR3_D27 | C15 |
| DDR3_D28 | B14 |
| DDR3_D29 | A15 |
| DDR3_D30 | B13 |
| DDR3_D31 | B15 |
| DDR3_D32 | D24 |
| DDR3_D33 | D23 |
| DDR3_D34 | E24 |
| DDR3_D35 | F26 |
| DDR3_D36 | A23 |
| DDR3_D37 | G23 |
| DDR3_D38 | E26 |
| DDR3_D39 | B23 |
| DDR3_D40 | C24 |
| DDR3_D41 | A26 |
| DDR3_D42 | C25 |
| DDR3_D43 | C26 |
| DDR3_D44 | B27 |
| DDR3_D45 | A27 |
| DDR3_D46 | D26 |
| DDR3_D47 | A25 |
| DDR3_D48 | C30 |
| DDR3_D49 | A30 |
| DDR3_D50 | D29 |
|---|---|
| DDR3_D51 | D27 |
| DDR3_D52 | E28 |
| DDR3_D53 | C27 |
| DDR3_D54 | E29 |
| DDR3_D55 | B30 |
| DDR3_D56 | H27 |
| DDR3_D57 | G29 |
| DDR3_D58 | H24 |
| DDR3_D59 | H30 |
| DDR3_D60 | F28 |
| DDR3_D61 | G28 |
| DDR3_D62 | H26 |
| DDR3_D63 | G30 |
| DDR3_DM0 | K14 |
| DDR3_DM1 | H15 |
| DDR3_DM2 | A11 |
| DDR3_DM3 | F15 |
| DDR3_DM4 | E23 |
| DDR3_DM5 | B24 |
| DDR3_DM6 | D28 |
| DDR3_DM7 | F30 |
| DDR3_DQS0_N | L13 |
| DDR3_DQS0_P | L12 |
| DDR3_DQS1_N | H16 |
| DDR3_DQS1_P | J16 |
| DDR3_DQS2_N | B12 |
| DDR3_DQS2_P | C12 |
| DDR3_DQS3_N | C14 |
| DDR3_DQS3_P | D14 |
| DDR3_DQS4_N | E25 |
| DDR3_DQS4_P | F25 |
| DDR3_DQS5_N | A28 |
| DDR3_DQS5_P | B28 |
| DDR3_DQS6_N | B29 |
| DDR3_DQS6_P | C29 |
|---|---|
| DDR3_DQS7_N | F27 |
| DDR3_DQS7_P | G27 |
| DDR3_A0 | F21 |
| DDR3_A1 | H17 |
| DDR3_A2 | F22 |
| DDR3_A3 | L18 |
| DDR3_A4 | E19 |
| DDR3_A5 | L17 |
| DDR3_A6 | G20 |
| DDR3_A7 | H20 |
| DDR3_A8 | J18 |
| DDR3_A9 | G22 |
| DDR3_A10 | D16 |
| DDR3_A11 | K18 |
| DDR3_A12 | D19 |
| DDR3_A13 | H19 |
| DDR3_A14 | C21 |
| DDR3_BA0 | K19 |
| DDR3_BA1 | J17 |
| DDR3_BA2 | E21 |
| DDR3_CAS | D21 |
| DDR3_CKE0 | C16 |
| DDR3_CLK0_N | D18 |
| DDR3_CLK0_P | D17 |
| DDR3_ODT | H21 |
| DDR3_RAS | C22 |
| DDR3_RESET | J19 |
| DDR3_S0 | H22 |
| DDR3_WE | D22 |
(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,U49 | MT40A1G16KD-062E | 1G x 16bit | Micron |
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 2-4-2 4 片 DDR4 DRAM 实物图
DDR4 SDRAM 引脚分配:
| 信号名称 | 引脚号 |
|---|---|
| DDR4_D0 | AK1 |
| DDR4_D1 | AJ4 |
| DDR4_D2 | AJ2 |
| DDR4_D3 | AJ3 |
| DDR4_D4 | AJ1 |
| DDR4_D5 | AH6 |
| DDR4_D6 | AH2 |
| DDR4_D7 | AH5 |
| DDR4_D8 | AF2 |
| DDR4_D9 | AF6 |
| DDR4_D10 | AF1 |
| DDR4_D11 | AE5 |
| DDR4_D12 | AE1 |
| DDR4_D13 | AF5 |
| DDR4_D14 | AE4 |
| DDR4_D15 | AF3 |
| DDR4_D16 | AD3 |
|---|---|
| DDR4_D17 | AD6 |
| DDR4_D18 | AC2 |
| DDR4_D19 | AC4 |
| DDR4_D20 | AC1 |
| DDR4_D21 | AC7 |
| DDR4_D22 | AD4 |
| DDR4_D23 | AE6 |
| DDR4_D24 | AJ8 |
| DDR4_D25 | AF7 |
| DDR4_D26 | AJ6 |
| DDR4_D27 | AG7 |
| DDR4_D28 | AK6 |
| DDR4_D29 | AF8 |
| DDR4_D30 | AK5 |
| DDR4_D31 | AK8 |
| DDR4_D32 | AE15 |
| DDR4_D33 | AA16 |
| DDR4_D34 | AB15 |
| DDR4_D35 | Y15 |
| DDR4_D36 | AD14 |
| DDR4_D37 | Y16 |
| DDR4_D38 | AC14 |
| DDR4_D39 | AA15 |
| DDR4_D40 | AG18 |
| DDR4_D41 | AH19 |
| DDR4_D42 | AE19 |
| DDR4_D43 | AK19 |
| DDR4_D44 | AF18 |
| DDR4_D45 | AG19 |
| DDR4_D46 | AF17 |
| DDR4_D47 | AJ19 |
| DDR4_D48 | AD16 |
| DDR4_D49 | AD18 |
| DDR4_D50 | AD17 |
| DDR4_D51 | AE18 |
|---|---|
| DDR4_D52 | AB17 |
| DDR4_D53 | AB19 |
| DDR4_D54 | AA18 |
| DDR4_D55 | AC19 |
| DDR4_D56 | AF15 |
| DDR4_D57 | AH17 |
| DDR4_D58 | AG15 |
| DDR4_D59 | AK16 |
| DDR4_D60 | AK15 |
| DDR4_D61 | AJ17 |
| DDR4_D62 | AH15 |
| DDR4_D63 | AE16 |
| DDR4_DM0 | AH4 |
| DDR4_DM1 | AE3 |
| DDR4_DM2 | AC5 |
| DDR4_DM3 | AK4 |
| DDR4_DM4 | AA17 |
| DDR4_DM5 | AD19 |
| DDR4_DM6 | AB18 |
| DDR4_DM7 | AG14 |
| DDR4_DQS0_N | AH1 |
| DDR4_DQS0_P | AG2 |
| DDR4_DQS1_N | AG3 |
| DDR4_DQS1_P | AG4 |
| DDR4_DQS2_N | AD1 |
| DDR4_DQS2_P | AD2 |
| DDR4_DQS3_N | AJ7 |
| DDR4_DQS3_P | AH7 |
| DDR4_DQS4_N | AC15 |
| DDR4_DQS4_P | AC16 |
| DDR4_DQS5_N | AK18 |
| DDR4_DQS5_P | AJ18 |
| DDR4_DQS6_N | Y18 |
| DDR4_DQS6_P | Y19 |
| DDR4_DQS7_N | AJ16 |
|---|---|
| DDR4_DQS7_P | AH16 |
| DDR4_A0 | AB10 |
| DDR4_A1 | AA12 |
| DDR4_A2 | AB9 |
| DDR4_A3 | AJ9 |
| DDR4_A4 | AD8 |
| DDR4_A5 | AA10 |
| DDR4_A6 | AE8 |
| DDR4_A7 | AB8 |
| DDR4_A8 | Y11 |
| DDR4_A9 | AC9 |
| DDR4_A10 | AC10 |
| DDR4_A11 | AA13 |
| DDR4_A12 | AE9 |
| DDR4_A13 | AA8 |
| DDR4_ACT_B | AC12 |
| DDR4_BA0 | AD9 |
| DDR4_BA1 | AG9 |
| DDR4_BG0 | AC11 |
| DDR4_CAS_B | AK9 |
| DDR4_CKE | AF10 |
| DDR4_CLK_N | AF11 |
| DDR4_CLK_P | AE11 |
| DDR4_CS_B | AK11 |
| DDR4_OTD | AH9 |
| DDR4_PAR | Y10 |
| DDR4_RAS_B | AB12 |
| DDR4_RST | AA11 |
| DDR4_WE_B | AE10 |
(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、U54 | GD25Q127CYIG | 128M 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 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_MODE | LED 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 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 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_MDC | Y25 | MDIO 管理时钟 |
| PHY1_MDIO | AE26 | MDIO 管理数据 |
| PHY1_RESET | AK20 | PHY 芯片复位 |
| PHY1_RXC | AE28 | RGMII 接收时钟 |
| PHY1_RXDV | AG28 | 接收数据有效信号 |
| PHY1_RXD0 | AK28 | 接收数据 Bit0 |
| PHY1_RXD1 | AG27 | 接收数据 Bit1 |
| PHY1_RXD2 | AJ27 | 接收数据 Bit2 |
| PHY1_RXD3 | AH27 | 接收数据 Bit3 |
| PHY1_GTXC | AJ26 | RGMII 发送时钟 |
| PHY1_TXEN | AH26 | 发送使能信号 |
| PHY1_TXD0 | AF28 | 发送数据 bit0 |
| PHY1_TXD1 | AF27 | 发送数据 bit1 |
| PHY1_TXD2 | AF26 | 发送数据 bit2 |
| PHY1_TXD3 | AK26 | 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 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 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_N | D1 | SFP 光模块数据发送 Negative |
| SFP1_TX_P | D2 | SFP 光模块数据发送 Positive |
|---|---|---|
| SFP1_RX_N | E3 | SFP 光模块数据接收 Negative |
| SFP1_RX_P | E4 | SFP 光模块数据接收 Positive |
| SFP1_TX_DIS | V19 | SFP 光模块光发射禁止,高有效 |
| SFP1_LOSS | V29 | SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号 |
| SFP1_IIC_SCL | T27 | SFP 光模块 IIC 的时钟 |
| SFP1_IIC_SDA | U27 | SFP 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_N | C3 | SFP 光模块数据发送 Negative |
| SFP2_TX_P | C4 | SFP 光模块数据发送 Positive |
| SFP2_RX_N | D5 | SFP 光模块数据接收 Negative |
| SFP2_RX_P | D6 | SFP 光模块数据接收 Positive |
| SFP2_TX_DIS | V20 | SFP 光模块光发射禁止,高有效 |
| SFP2_LOSS | V30 | SFP 光接收 LOSS 信号,高表示没有 接收到光信号 |
| SFP2_IIC_SCL | U28 | SFP 光模块 IIC 的时钟 |
| SFP2_IIC_SDA | T25 | SFP 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_N | B1 | SFP 光模块数据发送 Negative |
| SFP3_TX_P | B2 | SFP 光模块数据发送 Positive |
| SFP3_RX_N | B5 | SFP 光模块数据接收 Negative |
| SFP3_RX_P | B6 | SFP 光模块数据接收 Positive |
| SFP3_TX_DIS | W23 | SFP 光模块光发射禁止,高有效 |
| SFP3_LOSS | V25 | SFP 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_N | A3 | SFP 光模块数据发送 Negative |
| SFP4_TX_P | A4 | SFP 光模块数据发送 Positive |
| SFP4_RX_N | A7 | SFP 光模块数据接收 Negative |
|---|---|---|
| SFP4_RX_P | A8 | SFP 光模块数据接收 Positive |
| SFP4_TX_DIS | W24 | SFP 光模块光发射禁止,高有效 |
| SFP4_LOSS | W26 | SFP 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 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 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_N | K1 | QSFP+第一路数据发送 Negative |
| QSFP1_TX_P | K2 | QSFP+第一路数据发送 Positive |
| QSFP2_TX_N | J3 | QSFP+第二路数据发送 Negative |
| QSFP2_TX_P | J4 | QSFP+第二路数据发送 Positive |
| QSFP3_TX_N | H1 | QSFP+第三路数据发送 Negative |
| QSFP3_TX_P | H2 | QSFP+第三路数据发送 Positive |
| QSFP4_TX_N | F1 | QSFP+第四路数据发送 Negative |
| QSFP4_TX_P | F2 | QSFP+第四路数据发送 Positive |
| QSFP1_RX_N | K5 | QSFP+第一路数据接收 Negative |
| QSFP1_RX_P | K6 | QSFP+第一路数据接收 Positive |
| QSFP2_RX_N | H5 | QSFP+第二路数据接收 Negative |
| QSFP2_RX_P | H6 | QSFP+第二路数据接收 Positive |
| QSFP3_RX_N | G3 | QSFP+第三路数据接收 Negative |
| QSFP3_RX_P | G4 | QSFP+第三路数据接收 Positive |
| QSFP4_RX_N | F5 | QSFP+第四路数据接收 Negative |
| QSFP4_RX_P | F6 | QSFP+第四路数据接收 Positive |
| QSFP_MODSELL | U22 | 模式选择,低电平 I2C 有效 |
| QSFP_RESETL | U23 | 复位信号,低电平复位 |
| QSFP_MODPRSL | V21 | 光模块存在信号,低电平有效 |
| QSFP_INTL | V22 | 中断信号,低电平有效 |
| QSFP_LPMODE | U24 | 低功耗模式选择 |
|---|---|---|
| QSFP_SCL | W21 | I2C 时钟信号 |
| QSFP_SDA | W22 | I2C 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 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 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_N | L7 | PCIE 参考时钟 Negative |
| PCIE_CLK_P | L8 | PCIE 参考时钟 Positive |
| PCIE_PERST | V24 | PCIE 板卡的复位信号 |
| PCIE_RX0_N | M5 | PCIE 通道 0 数据接收 Negative |
| PCIE_RX0_P | M6 | PCIE 通道 0 数据接收 Positive |
| PCIE_RX1_N | P5 | PCIE 通道 1数据接收 Negative |
| PCIE_RX1_P | P6 | PCIE 通道 1 数据接收 Positive |
| PCIE_RX2_N | R3 | PCIE 通道 2 数据接收 Negative |
| PCIE_RX2_P | R4 | PCIE 通道 2 数据接收 Positive |
| PCIE_RX3_N | T5 | PCIE 通道 3 数据接收 Negative |
| PCIE_RX3_P | T6 | PCIE 通道 3 数据接收 Positive |
| PCIE_RX4_N | V5 | PCIE 通道 4 数据接收 Negative |
| PCIE_RX4_P | V6 | PCIE 通道 4 数据接收 Positive |
| PCIE_RX5_N | W3 | PCIE 通道 5 数据接收 Negative |
| PCIE_RX5_P | W4 | PCIE 通道 5 数据接收 Positive |
| PCIE_RX6_N | Y5 | PCIE 通道 6 数据接收 Negative |
| PCIE_RX6_P | Y6 | PCIE 通道 6 数据接收 Positive |
| PCIE_RX7_N | AA3 | PCIE 通道 7 数据接收 Negative |
| PCIE_RX7_P | AA4 | PCIE 通道 7 数据接收 Positive |
| PCIE_TX0_N | L3 | PCIE 通道 0 数据发送 Negative |
| PCIE_TX0_P | L4 | PCIE 通道 0 数据发送 Positive |
| PCIE_TX1_N | M1 | PCIE 通道 1数据发送 Negative |
| PCIE_TX1_P | M2 | PCIE 通道 1 数据发送 Positive |
| PCIE_TX2_N | N3 | PCIE 通道 2 数据发送 Negative |
|---|---|---|
| PCIE_TX2_P | N4 | PCIE 通道 2 数据发送 Positive |
| PCIE_TX3_N | P1 | PCIE 通道 3 数据发送 Negative |
| PCIE_TX3_P | P2 | PCIE 通道 3 数据发送 Positive |
| PCIE_TX4_N | T1 | PCIE 通道 4 数据发送 Negative |
| PCIE_TX4_P | T2 | PCIE 通道 4 数据发送 Positive |
| PCIE_TX5_N | U3 | PCIE 通道 5 数据发送 Negative |
| PCIE_TX5_P | U4 | PCIE 通道 5 数据发送 Positive |
| PCIE_TX6_N | V1 | PCIE 通道 6 数据发送 Negative |
| PCIE_TX6_P | V2 | PCIE 通道 6 数据发送 Positive |
| PCIE_TX7_N | Y1 | PCIE 通道 7 数据发送 Negative |
| PCIE_TX7_P | Y2 | PCIE 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 2-10-1 LM75A 传感器原理图部分
下图为 LM75A 传感器实物图
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_SCL | W19 |
| PLL_SDA | R19 |
(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 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 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_CLK | N21 |
| SD_CD | P23 |
| SD_CMD | N22 |
| SD_D0 | N25 |
| SD_D1 | N26 |
| SD_D2 | N19 |
| SD_D3 | N20 |
(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 2-12-1 USB 转串口示意图
下图为 USB 转串口的实物图
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_RXD | P21 |
| UART_TXD | P22 |
(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 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 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_N | AC27 | |
| FMC_CLK0_P | AB27 | FMC参考第1路参考时钟P |
| FMC_CLK1_N | AG23 | FMC参考第2路参考时钟N |
| FMC_CLK1_P | AF22 | FMC参考第2路参考时钟P |
| FMC_LA00_CC_N | AH29 | FMC参考第0路数据(时钟) N |
| FMC_LA00_CC_P | AG29 | FMC参考第0路数据(时钟) P |
| FMC_LA01_CC_N | AD28 | FMC参考第1路数据(时钟) N |
| FMC_LA01_CC_P | AD27 | FMC参考第1路数据(时钟) P |
| FMC_LA02_N | AK30 | FMC参考第2路数据N |
| FMC_LA02_P | AK29 | FMC参考第2路数据P |
| FMC_LA03_N | AJ29 | FMC参考第3路数据N |
| FMC_LA03_P | AJ28 | FMC参考第3路数据P |
| FMC_LA04_N | AH30 | FMC参考第4路数据N |
| FMC_LA04_P | AG30 | FMC参考第4路数据P |
| FMC_LA05_N | AD26 | FMC参考第5路数据N |
| FMC_LA05_P | AC26 | FMC参考第5路数据P |
| FMC_LA06_N | AB25 | FMC参考第6路数据N |
| FMC_LA06_P | AA25 | FMC参考第6路数据P |
| FMC_LA07_N | AE29 | FMC参考第7路数据N |
| FMC_LA07_P | AD29 | FMC参考第7路数据P |
| FMC_LA08_N | AF30 | FMC参考第8路数据N |
| FMC_LA08_P | AE30 | FMC参考第8路数据P |
| FMC_LA09_N | AA26 | FMC参考第9路数据N |
| FMC_LA09_P | Y26 | FMC参考第9路数据P |
|---|---|---|
| FMC_LA10_N | AC30 | FMC参考第10路数据N |
| FMC_LA10_P | AC29 | FMC参考第10路数据P |
| FMC_LA11_N | AA28 | FMC参考第11路数据N |
| FMC_LA11_P | Y28 | FMC参考第11路数据P |
| FMC_LA12_N | AB30 | FMC参考第12路数据N |
| FMC_LA12_P | AB29 | FMC参考第12路数据P |
| FMC_LA13_N | AB28 | FMC参考第13路数据N |
| FMC_LA13_P | AA27 | FMC参考第13路数据P |
| FMC_LA14_N | W28 | FMC参考第14路数据N |
| FMC_LA14_P | W27 | FMC参考第14路数据P |
| FMC_LA15_N | Y29 | FMC参考第15路数据N |
| FMC_LA15_P | W29 | FMC参考第15路数据P |
| FMC_LA16_N | AA30 | FMC参考第16路数据N |
| FMC_LA16_P | Y30 | FMC参考第16路数据P |
| FMC_LA17_CC_N | AH24 | FMC参考第17路数据(时钟)N |
| FMC_LA17_CC_P | AG24 | FMC参考第17路数据(时钟)P |
| FMC_LA18_CC_N | AE24 | FMC参考第18路数据(时钟)N |
| FMC_LA18_CC_P | AD23 | FMC参考第18路数据(时钟)P |
| FMC_LA19_N | AK24 | FMC参考第19路数据N |
| FMC_LA19_P | AK23 | FMC参考第19路数据P |
| FMC_LA20_N | AK25 | FMC参考第20路数据N |
| FMC_LA20_P | AJ24 | FMC参考第20路数据P |
| FMC_LA21_N | AF21 | FMC参考第21路数据N |
| FMC_LA21_P | AF20 | FMC参考第21路数据P |
| FMC_LA22_N | AH25 | FMC参考第22路数据N |
| FMC_LA22_P | AG25 | FMC参考第22路数据P |
| FMC_LA23_N | AC21 | FMC参考第23路数据N |
| FMC_LA23_P | AC20 | FMC参考第23路数据P |
| FMC_LA24_N | AF23 | FMC参考第24路数据N |
| FMC_LA24_P | AE23 | FMC参考第24路数据P |
| FMC_LA25_N | AE21 | FMC参考第25路数据N |
| FMC_LA25_P | AD21 | FMC参考第25路数据P |
|---|---|---|
| FMC_LA26_N | AB23 | FMC参考第26路数据N |
| FMC_LA26_P | AB22 | FMC参考第26路数据P |
| FMC_LA27_N | Y24 | FMC参考第27路数据N |
| FMC_LA27_P | Y23 | FMC参考第27路数据P |
| FMC_LA28_N | AD22 | FMC参考第28路数据N |
| FMC_LA28_P | AC22 | FMC参考第28路数据P |
| FMC_LA29_N | AF25 | FMC参考第29路数据N |
| FMC_LA29_P | AE25 | FMC参考第29路数据P |
| FMC_LA30_N | AC25 | FMC参考第30路数据N |
| FMC_LA30_P | AB24 | FMC参考第30路数据P |
| FMC_LA31_N | AD24 | FMC参考第31路数据N |
| FMC_LA31_P | AC24 | FMC参考第31路数据P |
| FMC_LA32_N | AA21 | FMC参考第32路数据N |
| FMC_LA32_P | Y21 | FMC参考第32路数据P |
| FMC_LA33_N | AA23 | FMC参考第33路数据N |
| FMC_LA33_P | AA22 | FMC参考第33路数据P |
| FMC_PRSNT | M24 | FMC 复位,低有效 |
| FMC_SCL | M22 | FMC I2C总线时钟 |
| FMC_SDA | M23 | FMC 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 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 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 |
|---|---|---|---|
| 1 | GND | 2 | +5V |
| 3 | J24 | 4 | J23 |
| 5 | J22 | 6 | J21 |
| 7 | J26 | 8 | K26 |
| 9 | K30 | 10 | L30 |
| 11 | L28 | 12 | M28 |
| 13 | M27 | 14 | N27 |
| 15 | N30 | 16 | N29 |
| 17 | L27 | 18 | L26 |
| 19 | J28 | 20 | J27 |
|---|---|---|---|
| 21 | H29 | 22 | J29 |
| 23 | K29 | 24 | K28 |
| 25 | L20 | 26 | M20 |
| 27 | K21 | 28 | L21 |
| 29 | L23 | 30 | L22 |
| 31 | K24 | 32 | K23 |
| 33 | K25 | 34 | L25 |
| 35 | M30 | 36 | M29 |
| 37 | GND | 38 | GND |
| 39 | +3.3V | 40 | +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 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 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 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 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 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 2-16-2 按键实物图
用户按键 FPGA 引脚分配:
| 引脚名称 | FPGA 引脚 |
|---|---|
| KEY1 | R28 |
| KEY2 | T28 |
(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 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 2-17-2 用户 LED 灯实物图
LED 灯 FPGA 引脚分配:
| 引脚名称 | FPGA 引脚 |
|---|---|
| LED1 | AJ22 |
| LED2 | AJ23 |
| LED3 | AG20 |
| LED4 | AH20 |
(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 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 |
|---|---|
| +1.0V | FPGA 的内核电压, DRM 电源 |
| +3.3V | FPGA Bank0,Bank L4 , Bank L5 , QSIP FLASH, Clock 晶振, SD 卡,SFP 光模块 |
| +1.8V | FPGA 辅助电压,网络芯片 |
| VCCA_IO_GO | IO 专用模拟电源 |
| +1.5V | DDR3, FPGA Bank L1,Bank L2, Bank L3 |
| +1.2V | DDR4, FPGA Bank R5,Bank R6, Bank R7 |
| VADJ(+2.5V) | FPGA Bank L6 Bank L7, FMC |
| DDR3_VREF, DDR3_VTT | DDR3 |
| DDR4_VREF, DDR4_VTT | DDR4 |
| 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 |
| +1V25 | FPGA 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_PWM | AK21 |
(二十) 结构尺寸图
正面图(Top View)