《数字电子技术与接口技术试验教程》课件第1章.ppt

1、1 1第1章 硬件开发平台介绍 第1章 硬件开发平台介绍 1.1 Nexys3硬件平台简介硬件平台简介 1.2 Nexys3电源、时钟及外围接口电路电源、时钟及外围接口电路 1.3 Nexys3存储器及存储器及FPGA配置配置 1.4 Nexys3硬件平台测试硬件平台测试 1.5 Basys2硬件平台简介硬件平台简介 2 2第1章 硬件开发平台介绍 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)是一种适用于教学和研究开发工作的高密度可编程逻辑器件，能满足多种不同领域的需求。FPGA由静态随机存取存储器保存编程信息，单个FPGA器件上能容纳上百万个晶体管

2、，可实现时序、组合等各种复杂逻辑电路，具有高度的灵活性，支持新概念的快速验证。3 3第1章 硬件开发平台介绍 目前，很多公司专门致力于基于FPGA的教学或研究平台开发，随着与高校的不断合作，这些平台越来越得到教师、学生和工程师的认可。Xilinx和上海德致伦电子科技有限公司(Digilent)推出了Basys、Nexys、Atlys、Genesys、XUPV5、ZedBoard等不同种类采用不同型号FPGA的实验或目标设计平台，这些开发板软硬件开源，全球流通。Digilent网站上提供了大量的实验平台资料、免费软件、技术文档、设计实例和视频点播等信息。因此，其教学平台在国内外高校得到广泛应用。

3、本书介绍的实验平台是适合本科生使用的Nexys3和Basys2。4 4第1章 硬件开发平台介绍 1.1 Nexys3硬件平台简介硬件平台简介Nexys3开发板是一款基于Xilinx公司Spartan6 FPGA的硬件开发平台，如图1-1所示。开发板上有48 MB大小的外部存储器、USB接口、以太网接口、通用I/O、各种按键以及显示器件等资源。对FPGA的编程有JTAG、SPI、BPI和串行接口等多种方式，其中的JTAG编程方式可由PC通过USB接口编程，该USB接口还可以为开发板提供电源(即硬件不需要额外电源)，支持最大传输速率达到38 MB/s的用户数据传输。可见，无论是进行教学实验还是学术

4、研究，Nexys3都是一个相当理想的硬件平台，只需要一根micro USB下载线就可以在开发板上进行5 5第1章 硬件开发平台介绍 各种数字电路和接口技术实验，也可以设计和实现嵌入式微处理器等复杂数字系统。在Digilent的http:/ Boards中可以下载Nexys3及其他不同开发板的原理图、参考手册、典型应用参考设计等资料，方便大家了解其技术细节并快速上手。6 6第1章 硬件开发平台介绍 图1-1 Nexys3开发板 7 7第1章 硬件开发平台介绍 Nexys3开发板提供了4个Pmod扩展接口，通过连接Digilent公司开发的多达40几个低成本的Pmods和最新型的Vmods外围设备

5、，就可以实现其他应用功能，例如A/D和D/A转换、电机驱动、各种存储卡控制、射频接口、显示装置、麦克风等。Nexys3兼容所有的Xilinx软件工具，包括免费的WebPack、Chipscope、EDK(嵌入式处理器设计套件)、ISE等软件工具，也可以兼容Digilent公司发布的Adept软件。该软件可以配置Digilent公司开发板上的FPGA，验证开发板性能，进行数据传输等。8 8第1章 硬件开发平台介绍 Adept软件系统还可以对板上器件进行测试。此外，它还提供了一些虚拟接口，比如PS/2、VGA等，这些虚拟接口可以将PC的键盘、鼠标、显示器等输入/输出设备为Nexys3开发板所用。A

6、dept应用软件、Adept SDK(软件开发工具包)、Digilent Plug-in(允许Xilinx软件直接使用Digilent USB-JTAG配置FPGA的工具)以及相关的参考资料都可以从Digilent网站(http:/ 9第1章 硬件开发平台介绍 Nexys3开发平台采用Xilinx的Spartan-6 FPGA，Spartan-6系列内置了丰富的系统级模块、第二代DSP Slices、SDRAM控制器、增强型混合时钟管理模块、SelectIOTM技术、功率优化的高速串行收发器、PCI Express兼容端点模块等。这些优异特性为替代定制ASIC产品提供了低成本的可编程方案，在汽

7、车、娱乐电子、液晶显示、视频监视等方面得到了广泛应用。Spartan-6主要有LX和LXT两个系列。其中LX系列没有内嵌PCI-Express兼容端点模块和高速串行收发器模块。Nexys3开发平台使用的是324引脚BGA封装的XC6SLX16-CSG324，相关资料可在http:/ 10第1章 硬件开发平台介绍 Spartan-6 FPGA 具有以下特性：(1)极低的静态与动态功耗。采用45 nm工艺，专为低成本与低功耗而精心优化；静态功耗和动态功耗分别降低了50%和40%；休眠省电模式可以实现零功耗；待机模式可以保持状态和配置，具有多引脚唤醒、控制增强功能；内核电压可达1.0 V；高性能的1

8、.2 V内核电压(LX FPGA和LXT FPGA，拥有-2、-3、-3N和-4四个速度级别)。11 11第1章 硬件开发平台介绍(2)多电压、多标准SelectIO接口bank。每个差分I/O的数据传输速率均高达1080 Mb/s；可选输出驱动器，每个引脚的电流最高达24 mA；兼容3.3 V1.2 V I/O标准和协议，输出驱动可达24 mA；低成本HSTL与SSTL存储器接口；符合热插拔规范；可调I/O转换速率，提高了信号的完整性。12 12第1章 硬件开发平台介绍(3)LTX FPGA内置高速GTP串行收发器。以最低的功耗实现串行协议；性能高达3.125 Gb/s，在3.125 Gb/

9、s下，功率低于150mW(典型值)；器件包含的千兆位级收发器电路多达8个；支持高速接口，包括：串行ATA、Aurora、1G以太网、PCIExpress、OBSAI、CPRI、EPON、GPON、DisplayPort以及XAUI等。13 13第1章 硬件开发平台介绍(4)具有支持PCI Express设计方案的集成端点模块。协同GTP收发器一起提供PCIe端点和根端口功能;内置式硬IP核可以释放用户逻辑资源和降低功耗；通过PCI SIG可验证Gen1兼容性(被纳入集成商列表)；符合32位、66 MHz规范的低成本PCI技术的支持；可用于Spartan-6 LXT FPGA器件。14 14第1

10、章 硬件开发平台介绍(5)采用高效率的DSP硬核,250 MHz的DSP48A1 Slice。具有高性能算术与信号处理能力；快速1818乘法器和48位累加器；流水线与级联功能；用于协助滤波器应用的预加法器。(6)存储器控制器模块(MCB)。DDR、DDR2、DDR3和LPDDR支持；数据速率高达800 Mb/s(12.6 Gb/s的峰值带宽)；内部32、64或128位数据接口为MCB提供了简单而又可靠的接口；多端口总线结构，带独立FIFO，减少了设计时序问题；15 15第1章 硬件开发平台介绍 可预测的存储器接口设计时间；软件向导，为整个设计过程提供指导。(7)丰富的逻辑资源和更大的逻辑容量。

11、高效的6输入查找表可以提升性能和将功耗降至最低；针对流水线应用而设计的LUT，具有双触发器；灵活的LUT可以配置成逻辑、分布式RAM或移位寄存器；3400150 000个逻辑单元，可以实现更高的系统级集成。16 16第1章 硬件开发平台介绍(8)具有各种粒度的Block RAM。具有12268个双端口Block RAM，每个都可以存储18 KB的内容；将存储器模块容量增加到4.8 MB；快速Block RAM，具有字节写入功能；18KB RAM块，可以选择性地将其编程为2个独立的9KB Block RAM；每个Block RAM均带有2个完全独立的端口，可以共享存储数据；各个端口都可以配置成1

12、6K1、8K2、4K4、2K9(或8)、1K18(或16)或51236(或32)。17 17第1章 硬件开发平台介绍(9)丰富的时钟线路满足高扇出、短延迟和超低歪斜的时钟管理模块(CMT)。低噪声，高灵活度的时钟控制；数字时钟管理器(DCM)，可消除时钟歪斜和占空比失真；锁相环(PLL)，可实现低抖动时钟控制；频率综合实现倍频、分频和调相；16个低歪斜全局时钟网络。18 18第1章 硬件开发平台介绍(10)增强型配置和比特流保护。双引脚自动检测配置；广泛支持第三方SPI(高达4位宽度)和NOR闪存支持；特性丰富的、带有JTAG的Xilinx Platform Flash；多重启动(MultiB

13、oot)支持，可以利用多个比特流和看门狗功能进行远程升级；独特的、用于设计认证的Device DNA标识，对于跟踪、反克隆设计或IP保护特别有用；大型器件内的AES比特流加密。19 19第1章 硬件开发平台介绍(11)利用增强型、低成本MicroBlaze软处理器加快嵌入式处理。新型MicroBlaze7.0增加了MMU和FPU，可以实现更多功能；6输入LUT架构提高了比较器和多路复用器的性能与效率；2倍数量的触发器，用于实现嵌入式寄存器；存储器带宽为12.8 Gb/s的DRAM存储器控制器；32位ARM RISC Cortex-M0核也将成为Xilinx FPGA的嵌入式处理器。2020第1

14、章 硬件开发平台介绍 Nexys3实验系统包含8个拨码开关、5个按键开关、8个LED和4个7段数码管等简单外设。这些外设可由硬件上已设定好的FPGA通用输入/输出(GPIO)引脚控制。Nexys3包含的主要连接器、实际的或虚拟的接口(虚拟接口是指硬件按照接口要求已连接，软件待用户设计)等资源如下：(1)4个Pmod接口(26直角100mil插座，每个插座包括2个电源、2个地和8个I/O信号)，用于插入扩展的Pmod子板。21 21第1章 硬件开发平台介绍(2)1个Micro USB编程接口(J3)，用于FPGA编程、供电和数据传输。在Nexys3开发板背面有一个USB控制芯片，采用的是Cypr

15、ess公司的高速USB控制器CY7C68013。该芯片内嵌了8051内核，能支持USB2.0协议。(3)1个Micro USB-UART接口(J13)，可以用来与PC进行串口通信。USB转接芯片选用了FTDI公司的FT232R，是专门用于USB-UART转换的单芯片。(4)1个标准USB-HID A型接口(J4)，用于控制鼠标、键盘或者闪存等外设。USB-HID(Universal Serial Bus-Human Interface Device)由PIC24微处理器控制。该接口不支持Hub功能，只能接一个鼠标或者一个键盘。2222第1章 硬件开发平台介绍(5)10/100以太网接口。(6)

16、8位VGA接口。(7)VHDC接口。(8)100 MHz有源晶振和25 MHz的无源晶振。Nexys3上用户可用的存储模块有以下三种。(1)16 MB的Cellular RAM(Micron公司的MT45W8MW16BGX)。(2)128 Mb的并行PCM(Micron公司的NP8P128A13T1760E)。(3)16 MB的串行PCM(Micron公司的NP5Q128A13ESC0E、NP5Q128A13EF8C0E)。2323第1章 硬件开发平台介绍 Cellular RAM是一种结合了SRAM和DRAM优点的存储器件，具有低功耗和高速读写数据的优点，可以配置成同步模式或者异步模式。异步模式时读写周期达到70 ns，同步模式时传送速率可达80 MHz。PCM相变存储器(Phase Change Memory)是一种结合了Flash、EEPROM和RAM优点的存储器件，因此，也称PCM为Flash。PCM能进行位读写，不需要块擦除操作，与Cellular RAM相比，反复读写次数更多，数据保存时间更长。Cellular RAM和并行PCM共用数据总线和地址总线，由控制总线加以区分，