基于Kintex-7 FPGA的核心板電路設計

1. 引言

Field Programmable GateArray（簡稱，FPGA）于1985年由XILINX創始人之一Ross Freeman發明，第一顆FPGA芯片XC2064為XILINX所發明，FPGA一經發明，后續的發展速度之快，超出大多數人的想象，近些年的FPGA，始終引領先進的工藝。在通信等領域FPGA有著廣泛的應用，通信領域需要高速的通信協議處理方式，另一方面通信協議隨時都在修改，不適合做成專門的芯片，所以能夠靈活改變的功能的FPGA就成了首選。并行和可編程是FPGA最大的優勢。

2.核心板設計

今天分享的核心板是明德揚公司研發的K7核心板，命名為MP5650。采用XILINX Kintex-7系列的XC7K325T-2FFG900I/XC7K410T-2FFG900I作為主控制器，在FPGA 芯片的HP 端口上掛載了4片DDR3存儲芯片，每片DDR3 容量高達512M 字節，每片16bit組成64bit 位的數據位寬。1片128Mb 的QSPI FLASH 芯片用來靜態存儲FPGA 芯片的配置文件或者其它用戶數據。核心板采用4個0.5mm間距120Pin 鍍金連接器與底板連接，核心板四個腳放置了4個3.5mm固定孔，此孔可以與底板通過螺絲緊固，確保了在強烈震動的環境下穩定運行。核心板結構尺寸為65(mm)× 85(mm)。整個開發系統的結構如圖1所示，實物圖如圖2所示。該板很適合高速數據通信；視頻采集、視頻輸出、消費電子；機器視覺、工業控制；項目研發前期驗證；電子信息工程、自動化、通信工程等電子類相關專業開發人員學習等領域及人群。

圖1 核心板結構圖

圖2 核心板實物圖

2.1主要電路設計

2.1.1 FPGA芯片選擇

核心板使用的是Xilinx公司的KINTEX-7 FPGA芯片，芯片型號為XC7K325T-2FFG900I/XC7K410T-2FFG900I，二者除片上資源不同外，管腳完全兼容。速度等級為2，溫度等級為工業級。此型號為FFG900封裝，900個引腳，引腳間距為1.0mm。

2.1.2 DDR3 SDRAM

板上配有四片Alliance Memory 的256MB的DDR3芯片,型號為AS4C256M16D3B-12BCN (兼容MT41J256M16XX-125)。每片DDR3 SDRAM數據位寬為16bit，共組成64bit的數據總線寬度。因為4片DDR3芯片連接到FPGA的HP口，DDR3 SDRAM的最高運行速度可達800MHz(數據速率1600Mbps)，四片DDR3存儲系統直接連接到了FPGA的BANK32, BANK33，BANK34的接口上。核心板采用高速布線，DDR3 的硬件設計需要嚴格考慮信號完整性，開發板的電路及PCB 設計已經充分考慮了匹配電阻/終端電阻，走線阻抗控制，走線等長控制，以確保DDR3 穩定工作。

2.1.3 QSPI Flash

板上配有一片128Mbit大小的Quad-SPI Flash芯片，型號為N25Q128，它使用3.3V CMOS電壓標準。由于QSPI FLASH的非易失特性，在使用中，它可以存儲FPGA的配置Bin文件以及其它的用戶數據文件。

2.1.4 核心板時鐘

核心板上為了準確適配不同用途的時鐘頻率，板載多個時鐘源。其中包括200MHz的系統差分時鐘源SiT9102差分晶振，還包括125MHz的GTX差分時鐘源SiT9102差分晶振。SiT9102是一款高精度、超低相噪的晶振，非常適合作為高速信號處理系統的時鐘源最后，為了縮短大容量FPGA芯片的下載配置時間，板卡還配有66MHz的EMCCLK，用戶可以配置使用該時鐘，配合QSPI×4模式,從而大大提高FPGA的配置效率。

2.1.5 核心板電源

核心板集成電源管理，+5—+12V電源輸入通過TI 電源芯片LTM4628 產生兩路 1.0V 的電源，其中一路為FPGA的核心提供穩定的電源，另一路為GTX的MGTAVCC提供穩定的電源，LTM4628輸出電流高達8A，滿足FPGA電流需求。+5—+12V電源輸入通過TI 電源芯片LTM4622分別產生+1.5V、+1.8V、+2.5V、+3.3V電壓，單片LTM4622有兩路電源輸出，所以需要2片LTM4622。LTM4622為VCCAUX、VCCIO、DRR3、晶振、FLASH等供電。+1.5V電壓經過TPS74401RGWT轉換為1.2V直流，為MGTAVTT提供1.2V的電壓。+3.3V 電壓經過SPX3819M5-1-8轉換為1.8V直流，為MGTVCCAUX提供1.8V的電壓。按XILINX官方手冊提供的上電順序依次上電，官方上電時序要求如圖3所示。核心板供電架構如圖4所示。

圖3 FPGA上電順序

圖4核心板供電框圖

3.總結

通過以上描述，我們能夠清晰看到這個核心板所含有的接口和功能。這款核心板的4個板對板連接器擴展出了276個IO，其中BANK12、BANK13、BANK15、BANK16、BANK17、BANK18的全部IO的電平可以通過更換核心板上的磁珠來修改，滿足用戶對+3.3V、+2.5V、+1.5V電平接口的需求；另外核心板也擴展出了16對高速收發器GTX接口。對于需要大量IO的用戶，此核心板將是不錯的選擇。而且IO連接部分，同一個BANK管腳到連接器接口之間走線做了等長和差分處理，對于二次開發來說，非常適合。