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《FPGA全程进阶----实战演练》第二章之系统搭建(一)
2017-10-10 12:30:08 】 浏览:4426
Tags:FPGA 全程 进阶 ---- 实战 演练 第二章 系统 搭建

1 系统方案

       对于设计一款硬件平台,首先要确定整体框架,确定各个模块所需要的芯片以及电压分配情况。图2.6是笔者曾经设计的硬件平台系统。

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图2.6系统框图

        对于选定一个系统方案之后,接下来做的要先去查看所选用的芯片的数据手册。那么查看手册一般有几点必须要注意,(1)FPGA的工作电压,确定若FPGA正常工作需要几档电压,好设计电源电路;(2)考虑功耗,这决定着需要多大功率的电源才能驱动芯片正常工作;(3)查看时钟网络的分布,这决定在进行逻辑设计时时钟分配的问题;(4)JTAG下载电路,这一部分是决定能否数据配置成功的关键;(5)查看器件工作的最高频率,这决定着系统能够运行的最大带宽有多少。

       对于功耗的计算部分,需要在系统最高时钟频率下,找到一个浩大的工程,计算所消耗的电流部分,然后查看所设计的电源电路的理论值是否能够满足功耗的需求。由于FPGA内核消耗较大,所以设计电源电路时应以内核功耗为准,即1.2V内核的消耗大于3.3V的I/O消耗,

2 FPGA芯片确定

       对于FPGA芯片的确定以及后面PCB的制作,都需要查看Altera的官方手册,设计来源于手册。对于手册大致分为几个部分:(1)Cyclone xx 成员总览;(2)逻辑单元和逻辑阵列块;(3)存储单元;(4)嵌入式乘法器资源;(5)时钟网络资源;(6)I/O特性;(7)上电复位特性;(8)JTAG下载;

      Cyclone系列芯片对比如表2.1所示:

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       由于Cyclone系列的片子都不算便宜,一片都要几十块,所以不求最贵的,但求资源够用即可。对比资源情况,货源,价钱情况,选择Cyclone III EP3C5E144C8N。更多详细的资源还请各位去查相关的手册,设计来源于手册。

      对于所选的型号,我们应该有一个定性的认识。当拿到一款芯片时,我们能大致估计这个芯片的一些信息,图2.7是芯片型号的信息解释。

 

 

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图2.7芯片型号说明

       对于我们所选择的芯片信号Cyclone III EP3C5E144C8N,其表达的信息为:

上述型号中有一个参数信息就是速度等级,这代表什么呢?笔者对于事物充满了好奇心,搜索了相关的资料,总结如下:

      (1) 对于Altera芯片,序号越低,速度等级越高,片子越贵。速度快慢:C6 > C7 > C8;Xilinx速度等级划分与Altera相反;

      (2) 每一个速度等级划分是片子生产出来之后进行测试,快的标记为低的序列号,慢的标记高的序列号;

      (3) 速度等级的选取方面,本着够用就行的原则,能用慢的则用慢的。快的芯片价格较高,不容易买到。

       所以对于速度等级,可以选择C8级别,这也是市面上常用的级别。对于时序若是不满足要求,可以通过高质量的verilog代码去实现时序方面的收敛问题。

3 SDRAM芯片确定

       基于价格,兼容性分析,选用几款常用的SDRAM芯片,如hynix公司的HY57V641620ET-6,HY57V283220T-6,HY57V2562GTR-75C,以及ISSI公司的IS42S1632B-7TIL(terasic开发板上面所用),还有Micron公司的产品MT48LC8M32B2TG-6,以上几款产品除容量和位宽不一致外,操作时序都一样。更详细的信息可以参见SDRAM文件夹中的手册部分。

       SDRAM的电路部分是较简单的,PCB layout时可以不用保证严格的走线等长,但是也不能太长,否则会造成信号的延时,对于时序可能不能够满足要求。图2.8是常用的电路设计方案。还有一点要注意的是SD_CLK,这个引脚需要接入FPGA的PLLX_CLKOUTn的引脚,目的是为了得到更低延时、更稳定可靠的时钟信号,而且SDRAM的时钟高达100MHz以上,所以就必须使用这个引脚了。具体可以查看EP3C5E的pin_out引脚文件。

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图2.8 SDRAM电路

4 电源各参数确定

       对于电源部分,查看手册如图xx所示,其中VccINT = 1.2V,VccA = 2.5V,VccD_PLL = 1.2V,对于IO电压则选择常用的3.3V, Vio = 3.3V。

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图2.9 电气特性

       对于FPGA而言,优质的电源输出是非常重要的,这关系到系统的稳定性。TI官网给出了一些关于FPGA的解决方案,如图2.10所示,给出FPGA内部各电流情况,看到占据较大电流的部分是内核消耗。在Quartus II中也有前期分析功耗的工具-PowerPlay Power Analyzer Tool,若是手头有一个较大的工程,可以进行烧录测试,测试前期所消耗的功耗。对于DE2-35平台上给了9V&1.3A(11.7W)的电源适配器,DE1-SOC平台上给了12V&3.5A的电源适配器,因此用一般2A或者1A的电源适配器绰绰有余。在电源设计时有两个概念比较重要,一个是LDO,一个是DC-DC,下面解释一下LDO和DC-DC的区别。

      LDO 是一种线性稳压器,DC-DC是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率。所以,在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用,LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长,同时噪音较低。如果输入电压和输出电压不是很接近,就要考虑用开关型的DCDC了,因为从上面的原理可以知道,LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高。DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC-DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。总的来说,升压是一定要选DCDC的,降压,是选

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