FPGA最小系統(tǒng)之：最小系統(tǒng)電路分析

2.2.1 FPGA管腳設(shè)計(jì)

FPGA的管腳主要包括：用戶I/O（User I/O）、配置管腳、電源、時(shí)鐘及特殊應(yīng)用管腳等。其中有些管腳可有多種用途，所以在設(shè)計(jì)FPGA電路之前，需要認(rèn)真的閱讀相應(yīng)FPGA的芯片手冊。

下面以Altera公司的Cyclone系列FPGA為例，介紹FPGA的各種功能管腳。

（1）用戶I/O。

I/Onum（LVDSnumn）：可用作輸入或輸出，或者雙向口，同時(shí)可作為LVDS差分對的負(fù)端。其中num表示管腳序號。

一般在繪制FPGA原理圖時(shí)，將同一種功能和用途的管腳放在一個(gè)框圖中，如圖2.3所示是用戶I/O的原理圖。

（2）配置管腳。

• MSEL[1..0]：用于選擇配置模式。FPGA有多種配置模式，比如主動(dòng)、被動(dòng)、快速、正常、串行、并行等，可以此管腳進(jìn)行選擇。
• DATA0：FPGA串行數(shù)據(jù)輸入，連接至配置器件的串行數(shù)據(jù)輸出管腳。
• DCLK：FPGA串行時(shí)鐘輸出，為配置器件提供串行時(shí)鐘。
• nCSO（I/O）：FPGA片選信號輸出，連接至配置器件的nCS管腳。
• ASDO（I/O）：FPGA串行數(shù)據(jù)輸出，連接至配置器件的ASDI管腳。
• nCEO：下載鏈器件使能輸出。在一條下載鏈（Chain）中，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)器件配置完成后，此信號將使能下一個(gè)器件開始進(jìn)行配置。下載鏈的最后一個(gè)器件的nCEO應(yīng)懸空。

圖2.3 FPGA用戶I/O原理圖

• nCE：下載鏈器件使能輸入，連接至上一個(gè)器件的nCEO。下載鏈第一個(gè)器件的nCE接地。
• nCONFIG：用戶模式配置起始信號。
• nSTATUS：配置狀態(tài)信號。
• CONF_DONE：配置結(jié)束信號。

如圖2.4所示是FPGA配置管腳原理圖。

圖2.4 FPGA配置管腳原理圖

（3）電源管腳。

• VCCINT：內(nèi)核電壓。通常與FPGA芯片所采用的工藝有關(guān)，例如130nm工藝為1.5V，90nm工藝為1.2V。
• VCCIO：端口電壓。一般為3.3V，還可以支持選擇多種電壓，如5V、1.8V、1.5V等。
• VREF：參考電壓。
• GND：信號地。

（4）時(shí)鐘管腳。

• VCC_PLL：鎖相環(huán)管腳電壓，直接連VCCIO。
• VCCA_PLL：鎖相環(huán)模擬電壓，一般通過濾波器接到VCCINT上。
• GNDA_PLL：鎖相環(huán)模擬地。
• GNDD_PLL：鎖相環(huán)數(shù)字地。
• CLKnum(LVDSCLKnump)：鎖相環(huán)時(shí)鐘輸入。支持LVDS時(shí)鐘輸入，p接正端，num表示PLL序號。
• CLKnum(LVDSCLKnumn)：鎖相環(huán)時(shí)鐘輸入。支持LVDS時(shí)鐘輸入，n接負(fù)端，num表示PLL序號。
• PLLnum_OUTp(I/O)：鎖相環(huán)時(shí)鐘輸出。支持LVDS時(shí)鐘輸入，p接正端，num表示PLL序號。
• PLLnum_OUTn(I/O)：鎖相環(huán)時(shí)鐘輸出。支持LVDS時(shí)鐘輸入，n接負(fù)端，num表示PLL序號。

如圖2.6所示是FPGA時(shí)鐘管腳原理圖。

圖2.5 FPGA電源管腳原理圖 圖2.6 FPGA時(shí)鐘管腳原理圖

另外，F(xiàn)PGA的管腳中，有一些是全局時(shí)鐘，這些管腳在FPGA中已經(jīng)做好了時(shí)鐘樹。使用這些管腳作為關(guān)鍵時(shí)鐘或信號的布線可以獲得最佳性能。

（5）特殊管腳。

• VCCPD：用于選擇驅(qū)動(dòng)電壓。
• VCCSEL：用于控制配置管腳和鎖相環(huán)相關(guān)的輸入緩沖電壓。
• PORSEL：上電復(fù)位選項(xiàng)。
• NIOPULLUP：用于控制配置時(shí)所使用的用戶I/O的內(nèi)部上拉電阻是否工作。
• TEMPDIODEn/p：用于關(guān)聯(lián)溫度敏感二極管。

2.2.2 下載配置與調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)

FPGA是SRAM型結(jié)構(gòu)，本身并不能固化程序。因此FPGA需要一片Flash結(jié)構(gòu)的配置芯片來存儲(chǔ)邏輯配置信息，用于進(jìn)行上電配置。

以Altera公司的FPGA為例，配置芯片分為串行（EPCSx系列）和并行（EPCx系列）兩種。其中EPCx系列為老款配置芯片，體積較大，價(jià)格高。而EPCSx系列芯片與之相比，體積小、價(jià)格低。

另外，除了使用Altera公司的配置芯片，也可以使用Flash+CPLD的方式去配置FPGA。

在把程序固化到配置芯片之前，一般先使用JTAG模式去調(diào)試程序，也就是把程序下載到FPGA芯片上運(yùn)行。雖然這種方式在斷電以后程序會(huì)丟失，但是充分利用了FPGA的無限擦寫性。

所以一般FPGA有兩個(gè)下載接口：JTAG調(diào)試接口和AS（或PS）模式下載接口。所不同的是前者下載至FPGA，后者是編程配置芯片（如EPCSx），然后再配置FPGA。

如圖2.7和圖2.8所示分別是JTAG模式和AS模式的電路原理圖。

圖2.7 JTAG模式原理圖

2.2.3 高速SDRAM存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)

SDRAM可作為軟嵌入式系統(tǒng)的（NIOS II）的程序運(yùn)行空間，或者作為大量數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。SDRAM是通用的存儲(chǔ)設(shè)備，只要容量和數(shù)據(jù)位寬相同，不同公司生產(chǎn)的芯片都是兼容的。

一般比較常用的SDRAM包括現(xiàn)代HY57V系列、三星K4S系列和美光MT48LC系列。例如，4M×32位的SDRAM，現(xiàn)代公司的芯片型號為HY57V283220，三星公司的為K4S283232，美光公司的為MT48LC4M32。這幾個(gè)型號的芯片可以相互替換。SDRAM典型電路如圖2.9所示。

圖2.8 AS模式原理圖

圖2.9 SDRAM典型電路

2.2.4 異步SRAM（ASRAM）存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)

由于ASRAM的讀寫時(shí)序相對比較簡單，因此一般使用SRAM作為數(shù)據(jù)的緩沖，但其成本相對SDRAM高。而且作為異步設(shè)備，ASRAM對于時(shí)鐘同步的要求也不高，可以在低速下運(yùn)行。ASRAM主要為8位和16位數(shù)據(jù)寬度，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。ASRAM的典型電路如圖2.10所示。

圖2.10 ASRAM典型電路

2.2.5 Flash存儲(chǔ)器接口電路設(shè)計(jì)

Flash可作為軟嵌入式系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)空間，或者作為程序的固件空間。最常使用的是AMD公司或者Intel公司的Flash。在小容量的Flash選擇上，AMD公司的Flash性價(jià)比較高，而高容量的Flash選擇上，Intel公司的Flash性價(jià)比較高。

Flash同樣也可以通過設(shè)置實(shí)現(xiàn)8位和16位的數(shù)據(jù)位寬，下面是幾種典型的Flash應(yīng)用。

16位模式下的（AMD）Flash連接如圖2.11所示。

8位模式下的（AMD）Flash連接如圖2.12所示。

8位模式下（Intel）Flash連接如圖2.13所示。

圖2.11 16位模式下（AMD）Flash連接

圖2.12 8位模式下（AMD）Flash連接

圖2.13 8位模式下（Intel）Flash連接

2.2.6 開關(guān)、按鍵與發(fā)光LED電路設(shè)計(jì)

發(fā)光LED參考電路如圖2.14所示。

圖2.14 數(shù)碼管參考電路

撥碼開關(guān)參考電路如圖2.15所示。

圖2.15 撥碼開關(guān)參考電路

按鍵開關(guān)參考電路如圖2.16所示。

圖2.16 按鍵開關(guān)參考電路

2.2.7 VGA接口電路設(shè)計(jì)

紅色颶風(fēng)開發(fā)板提供了VGA顯示功能與接口，可以用普通的VGA電纜連接到計(jì)算機(jī)的顯示器上。VGA 連接器定義如圖2.17所示。

圖2.17 VGA連接器定義

包括的信號有Red（R）、Green（G）、Blue（B）、Horizontal Sync（水平掃描HS）以及Vertical Sync（垂直掃描 VS）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.18所示。

圖2.18 VGA接口結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.8 PS/2鼠標(biāo)及鍵盤接口電路設(shè)計(jì)

早期的PS/2鼠標(biāo)及鍵盤采用5V電壓標(biāo)準(zhǔn)，目前的PS/2鼠標(biāo)及鍵盤主要采用3.3V電壓標(biāo)準(zhǔn)，如圖2.19所示的參考電路可以實(shí)現(xiàn)對兩種標(biāo)準(zhǔn)的兼容。

圖2.19 PS/2參考電路

2.2.9 RS-232串口

RS-232接口定義如表2.1所示。

表2.1 RS-232接口定義表

DTE DCE設(shè)備信號電流方向如表2.2所示。

表2.2 DTE DCE設(shè)備信號電流方向表

RS-232參考電路如圖2.20所示。

圖2.20 RS-232參考電路

2.2.10 字符型液晶顯示器接口電路設(shè)計(jì)

字符型液晶顯示器電路原理圖如圖2.21所示。

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10kW的電位器調(diào)整對比度。

第4腳：RS為寄存器選擇線，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時(shí)可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

圖2.21 字符型液晶顯示器電路原理圖

2.2.11 USB 2.0接口芯片CY7C68013電路設(shè)計(jì)

通過開發(fā)系統(tǒng)上的USB接口，可以用USB電纜直接將系統(tǒng)與主機(jī)（比如PC機(jī)）相連。USB接口使用了Cypress公司的CY7C68013芯片來實(shí)現(xiàn)，其電路原理圖如圖2.22所示。

圖2.22 CY7C68013原理圖

1．芯片介紹

Cypress Semiconductor公司的EZ-USB FX2是世界上第一款集成USB 2.0的微處理器。它集成了USB 2.0收發(fā)器、SIE（智能串行引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56MB/s，即USB 2.0允許的最大帶寬。

在FX2中，智能SIE可以硬件處理許多USB 1.1和USB 2.0協(xié)議，從而減少了開發(fā)時(shí)間和確保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主/從端點(diǎn)FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。

CY7C68013集成了以下特性。

（1）USB 2.0收發(fā)器、SIE（智能串行引擎）和增強(qiáng)性8051微處理器。

（2）軟件運(yùn)行。8051程序從內(nèi)部RAM開始運(yùn)行，可借助下列幾種方式進(jìn)行程序裝載。

• 通過USB下載。
• 從EEPROM中裝載。
• 通過外部存儲(chǔ)器設(shè)備。

（3）4個(gè)可編程（BULK/INTERRUPT/ISOCHRONOUS）端點(diǎn)，可選雙緩沖、三緩沖和四緩沖。

（4）8位或16位外部數(shù)據(jù)接口。

（5）通用可編程接口（GPIF）。

• 可以直接連接到并口，分為8位和16位。
• 可編程波形描述符和配置寄存器。
• 支持多個(gè)Ready輸入和Control輸出。

（6）集成標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核，且具有下列增強(qiáng)特性。

• 可以達(dá)到48MHz時(shí)鐘。
• 每條指令占4個(gè)時(shí)鐘周期。
• 2個(gè)UARTS。
• 3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。
• 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。
• 兩個(gè)數(shù)據(jù)指針。

（7）采用3.3V電源系統(tǒng)。

（8）矢量USB中斷。

（9）獨(dú)立的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)供SETUP和DATA包控制傳輸。

（10）集成I²C控制器，運(yùn)行速度可達(dá)100kHz。

（11）4個(gè)FIFO，可與ASIC和DSP等無縫連接。

（12）專門的FIFO和GPIF自動(dòng)矢量中斷。

（13）可用于DSL Modems、ATA接口、相機(jī)、Home PNA、WLAN、MP3播放器、網(wǎng)絡(luò)等。

2．USB啟動(dòng)方式和枚舉

上電時(shí)，內(nèi)部邏輯會(huì)檢查連接到I²C總線上的EEPROM中的第一個(gè)字節(jié)（0xC0或0xC2）。如果是0xC0，就會(huì)使用EEPROM中的VID/PID/DID來替代內(nèi)部存儲(chǔ)值；如果是0xC2，內(nèi)部邏輯就會(huì)把EEPROM中的內(nèi)容裝入到內(nèi)部RAM中；如果沒有檢查到EEPROM，F(xiàn)X2就會(huì)使用內(nèi)部存儲(chǔ)的描述符來枚舉。其缺省值是0x04B4/ 0x8613/ 0xxxyy。

當(dāng)首次插入U(xiǎn)SB時(shí)，F(xiàn)X2會(huì)通過USB電纜自動(dòng)枚舉并下載固件和USB描述符表。然后FX2將再次枚舉，通過下載的信息來定義設(shè)備。這兩個(gè)步驟就叫做重枚舉，當(dāng)設(shè)備插入時(shí)它們就立即執(zhí)行。

3．程序/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

（1）內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM。

FX2的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM被分成3個(gè)不同的區(qū)域：低（LOW）128字節(jié)，高（Upper）128字節(jié)和特殊功能寄存器（SFR）空間。低128字節(jié)和高128字節(jié)是通用RAM，SFR包括FX2控制和狀態(tài)寄存器。

（2）外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

FX2有8KB片上RAM（位于0x0000～0x1FFF范圍內(nèi)）和512字節(jié)Scratch RAM（位于0xE000～0xE1FF）。盡管Scratch RAM從物理上來說位于片內(nèi)，但是通過固件可以把它作為外部RAM一樣來尋址。FX2保留7.5KB（0xE200～0xFFFF）數(shù)據(jù)地址空間作為控制/狀態(tài)寄存器和端點(diǎn)緩沖器。

4．端點(diǎn)緩沖區(qū)

FX2包含3個(gè)64字節(jié)端點(diǎn)緩沖區(qū)和4KB可配置成不同方式的緩沖，其中3個(gè)64字節(jié)的緩沖區(qū)為EP0、EP1IN和EP1OUT。

EP0作為控制端點(diǎn)用，它是一個(gè)雙向端點(diǎn)，既可為IN也可為OUT。當(dāng)需要控制傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)X2固件讀寫EP0緩沖區(qū)，但是8個(gè)SETUP字節(jié)數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)在這64字節(jié)EP0端點(diǎn)緩沖區(qū)中。

EP1IN和EP1OUT使用獨(dú)立的64字節(jié)緩沖區(qū)，可配置為BULK、INTERRUPT或ISOCHRONOUS傳輸方式，這兩個(gè)端點(diǎn)和EP0一樣只能被固件訪問。這一點(diǎn)與大端點(diǎn)緩沖區(qū)EP2、EP4、EP6和EP8不同，這4個(gè)端點(diǎn)緩沖區(qū)主要用來和片上或片外進(jìn)行高帶寬數(shù)據(jù)傳輸而無需固件的參與。EP2、EP4、EP6和EP8是高帶寬、大緩沖區(qū)，它們可被設(shè)置成不同的方式來適應(yīng)帶寬的需求。

5．外部FIFO接口

EP2、EP4、EP6和EP8大端點(diǎn)緩沖區(qū)主要用來進(jìn)行高速（480Mbit/s）數(shù)據(jù)傳輸。可以通過FIFO數(shù)據(jù)接口與外部ASIC和DSP等處理器無縫連接來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。它具有的通用接口有：Slave FIFO或GPIF（內(nèi)部主）、同步或異步時(shí)鐘、內(nèi)部或外部時(shí)鐘等。

6．中斷資源

FX2的中斷結(jié)構(gòu)是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)和擴(kuò)展了部分中斷資源，中斷資源如表2.3所示。

表2.3 FX中斷資源表

其中27個(gè)USB請求共享USB中斷，14個(gè)FIFO/GPIF源共享INT4。

芯片的詳細(xì)介紹與使用方法可參看芯片數(shù)據(jù)手冊。

2.2.12 電源電路設(shè)計(jì)

電源是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的基本保證，如果電源電路設(shè)計(jì)的不好，系統(tǒng)有可能不能工作，或者即使能工作但是散熱條件不好，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定等異常情況。所以如何選用合適的電源芯片，以及如何合理地對電源進(jìn)行布局布線，都是值得下大功夫研究的。

在選用電源之前要仔細(xì)閱讀FPGA的芯片手冊，一般來說FPGA用到的管腳和資源越多，那么所需要的電流就越大，當(dāng)電路啟動(dòng)時(shí)FPGA的瞬間電流也比較大。通過數(shù)據(jù)手冊中提供的電氣參數(shù)，確定FPGA最大需要多大的電流才能工作。

下面是幾種常使用的FPGA參考電源。

• AS117可以提供1A電流，線型電源（適用144管腳以下、5萬邏輯門以下的FPGA）。
• AS2830（或LT1085/6）可以提供3A電流，線性電源（適用240管腳以下、30萬邏輯門以下的FPGA）。
• TPS54350可以提供3A電流，開關(guān)電源（適用大封裝大規(guī)模的高端FPGA）。

AS2830電源應(yīng)用電路如圖2.23所示。

對于線性電源芯片，輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：Vout=(1+RP3/RP2)×Vref。

Vref一般是1.25V，輸出假定輸入Vin為5V，Vout為1.5V，那么RP2/RP3=1/5，而RP3一般要求100～150W，那么可以選RP3=100W，RP2=500W。如果采用了固定電平輸出的芯片，只需要把RP3焊0W，RP2不焊接即可。

圖2.23 AS2830電源應(yīng)用電路

2.2.13 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

一般復(fù)位電路采用的是低電平復(fù)位，只有個(gè)別單片機(jī)采用高電平復(fù)位方式。

常見的電平復(fù)位電路分為芯片復(fù)位和阻容復(fù)位。前者的復(fù)位信號比較穩(wěn)定，而后者容易出現(xiàn)抖動(dòng)。因此在成本允許的范圍內(nèi)我們一般推薦使用芯片復(fù)位。

常用的芯片復(fù)位有MAX708S/706S系列，它們可提供高、低電平兩種復(fù)位方式和電源監(jiān)控能力（監(jiān)控電源電壓低到一定程度自動(dòng)復(fù)位）。

IMP811是一款比較低廉的復(fù)位芯片，只有低電平復(fù)位功能，但是其體積非常小。

阻容復(fù)位典型連接電路如圖2.24所示。

圖2.24 阻容復(fù)位典型連接電路

MAX708S典型連接電路如圖2.25所示。

圖2.25 MAX708S典型連接電路

IMP811典型連接電路如圖2.26所示。

圖2.26 IMP811典型連接電路

2.2.14 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘電路典型連接如圖2.27所示。

圖2.27 時(shí)鐘電路典型連接