[分享] 【Perf-V评测】开发板电路简析与Xilinx软件小试

cruelfox 2021-6-4 22:44 楼主

　　首先感谢澎峰科技提供的Perf-V开发板。这是一块与常规的FPGA开发板不大一样的板子，它不像许多开发板为了提供实验便利配置许多花哨的外围器件，也不是精简板那样直接把I/O口做成一列列的排针孔，而是居然在安排了一组Arduino接口——含义是：我是可以像MCU开发板那样来用的。

　　实际它是比Arduino风格的板子要大一圈的。因为FPGA最小系统的外围器件比一个MCU要多许多，两个标准尺寸JTAG座就比较大，顺势又在外圈放了一些LED和按钮、开关（毕竟是个FPGA开发板，做基本实验的支持最好还是有），就是这个大小了。我也觉得不是不能做到更紧凑更小，那样成本会增加，没有必要罢了。

　　板子的配置，依我看来，只是在Xilinx Artix-7最小系统的基础上加了一点外围器件（DDR3 SDRAM和 flash）和接口。上面的照片中我用红框标示的是电源部分，有四路DC-DC给FPGA及SDRAM供电，分别是 3.3V/1.8V/1.5V/1.0V. DDR3还用了一个0.75V的电压，由LDO产生。两片串行flash (N25Q64)一片用于FPGA上电配置，一片自由使用。其它都是简单的开关和LED连接了。

　　FPGA是BGA256脚封装，I/O口有很多。除了Arduino口、PMOD口引出的少数通用I/O口，在板子背面还有一个60针的小型连接器，用来连接扩展卡。比如可以扩展出 SD 卡座、HDMI 接口、VGA接口等。这种扩展卡设计方式可以让核心板保持小体积，需要什么应用再连接；一方面也节约了开发板的成本。

　　Perf-V资料中提供了完整的电路图，可以供学习设计 Xilinx Artix-7 系列FPGA系统板参考。

　　这块FPGA除了I/O电压选用了 3.3V和1.5V 外，核心电压是 1.0V, 还用了 1.8V 作为 VCCAUX. 另外，1.0V也给VCCBRAM和VCCADC (这个FPGA带有片内ADC).

　　I/O电压有 3.3V和1.5V两种，是因为DDR3 SDRAM要用1.5V，一般的I/O用3.3V通用。　　FPGA的板子DIY难度比MCU高，主要就是电源脚很多而且要多组不同的电压。封装大部分都是BGA, 做PCB成本高，所以直接购买最小系统板来做原型开发常常是最方便的。

　　Xilinx FPGA的软件开发工具有 ISE 和 Vivado. 我这次尝试的是 Vivado 2017.4 Linux 版本，从Xilinx网站下载的。软件包体积已经很大了，没有必要就不要追求最新版啦。

　　做一个最简单的逻辑来测试一下流程。

　　创建一个工程，指定路径，选择FPGA器件为Perf-V对应的XC7A100TFTG256. 不添加任何代码，然后到达主界面：

　　我要编写一个计数器用来点灯，代码很简单(可以用任何文本编辑器写，然后加进工程即可)：

module demo(clk, led);
input clk;
output [3:0] led;

reg [25:0] cnt;

always @(posedge clk)
    cnt <= cnt + 1'b1;

assign led = cnt[25:22];

endmodule

然后在 Vivado 里面把这个Verilog源文件加进工程。当然也可以由Vivado直接创建文件并编辑。

　　Vivado 会自动识别文件中定义的模块（也许有语法错误也能马上报告，我没有试），它自动将工程的顶层模块设置为我编写好的"demo". 下面就可以进行综合了。

　　点主窗口左边一栏当中的“Run Synthesis", 启动综合工具。然后，就等待吧……尽管代码很简单，这一步的时间么……

　　终于综合结束了，可以点"Open Synthesized Design" 看下结果：

　　综合后的逻辑可以用图形化的方式查看，这样的：

　　下一步就是"Run Implementation"了，就是用FPGA实现以上的逻辑。操作方式是类似的。

　　看实现的结果，有严重的警告！

　　原因是我没有对管脚进行处理，现在还是默认设置。因为软件并不知道芯片管脚是怎么接的，电压标准是什么等等，需要用户先指定。我也还没有分配LED接到哪些管脚，现在即使完成了也是没法正确工作的。现在需要在Window菜单中选择”I/O Ports"打开设置界面：

　　当前的管脚是软件自行分配的，需要修改。

　　Perf-V板子上有４个红色LED和三个RGB LED可以用，我就用那４个红色的。查阅电路图，找到 LED 连接的管脚

LED对应与 M16, N16, P15, P16 四个脚，另外, 50MHz 晶振的时钟信号 SYS_CLK 接在 N14, 也是需要的。在 Vivado 中指定这些管脚，电压标准选择3.3V LVCMOS.

　　再重新做一遍 Implementation, 就可以到下一步，生成FPGA需要的二进制码流文件了。

　　最后将码流下载到板子上，让FPGA工作起来。 FPGA的配置通过JTAG进行，澎峰科技提供了一个下载器，一端插入开发板的JTAG座，一端USB连接电脑。虽然 Linux 能够检测到下载器的芯片，但 Vivado 还不能识别，需要"安装驱动"——对于 Linux, 实际上并不是装驱动程序，而是在系统配置中小改一下。Vivado 安装目录中有一个脚本文件，用 root 身份执行一下就可以了。

　　在 Vivado 中打开“Hardware Manager"，当下载器被识别出来以后，就可以看到连接的 FPGA 器件信息。此时点”Program Device", 出现对话框。

这是用来确认码流文件（也就是前面的过程从Verilog源代码处理最后得到的.bit文件），点"Program"就马上下载到FPGA中，可以看到LED变化了。