Digilent Nexys3 FPGA开发板评测(转）

1万 · 2013-1-15 23:23

FPGA即现场可编程门阵列，属于可编程逻辑器件的一种。随着工艺的进步和EDA设计工具的不断发展，FPGA已经成为实现数字系统的主流平台之一。FPGA的集成度越来越高，功耗和成本却在降低，所以其应用领域也越来越广。对于硬件工程师来说，器件的选型和资源评估变得更重要。

当我们要选择FPGA开发板的时候，首先要问的问题是我们能得到什么以及我们准备用它来做什么？对于初学者来说FPGA是令人生畏的，不过如果有一个好的开发板能达到事半功倍的效果，会发现入门并不困难。接下来我们来看看Digilent公司推出的Nexys3开发板。

Nexys3是基于Xilinx公司新一代的Spartan6 系列FPGA的数字开发平台。Spartan6采用可靠的低功耗45nm 9层金属布线双层氧化工艺技术，实现了低风险、低成本、低功耗以及高性能的完美平衡，最大密度能达到15万个逻辑单元。Spartan6系列内置了丰富的系统级模块包括第二代DSP48A1 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兼容端点模块等等，这些优异特性为替代定制ASIC产品提供了低成本的易行的可编程方案。Spartan6 系列的高性价比特别适合于以消费类为导向的DSP设计以及对成本敏感的嵌入式应用，如在汽车娱乐电子，液晶显示和视频监视解析等方面。

Digilent公司是一家在FPGA、微处理技术领域具备顶尖设计、制造水平的公司。产品遍布全球70多个国家、2000多所大学。此次推出的Nexys3开发板是一款Spartan6系列FPGA的入门级开发平台，我们来看看还能从它上面得到什么：

主芯片Xilinx Spartan6 XC6LX16-CSG324
16M字节 Micron公司的 Cellular RAM
16M字节 Micron公司的并行PCM
16M字节 Micron 公司的Quad-mode SPI 串行PCM
10/100 Ethernet
USB-UART
A型USB接口，可以接鼠标、键盘和**棒
8位RGB信号 VGA 接口
100MHz 晶振
4个2x6 引脚PmodTM低速连接器
1个68 引脚VHDCI高速扩展连接器
8个拨码开关, 4个按钮
4个7段数码管, 8个 LED
1个 USB 接口提供电源、程序烧录和数据传输

详细介绍

1万 · 2013-1-15 23:24

1.拿到Nexys3的套件只有一块PCB板和一根USB micro下载线。第一次接触心里会有疑问，这也太简单了，这样就能工作了。

Nexys3的供电、编程和数据传输能通过一个USB接口完成。USB接口能提供500mA电流，能够提供Nexys3大部分的应用需求，如果连接器连接太多外设，也可以通过电源插口（J10）外部直流供电。
Nexys3的手册等资料可以在Digilent官网免费下载，值得一提的是Digilent提供了Nexys3的全套电路图，对于想了解和着手Spartan6系列FPGA芯片的电路设计是一个非常好的参考。

2.主芯片Xilinx Spartan6 XC6LX16CSG324

Spartan6主要分两种系列LX和LXT。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。XC6LX16CSG324有将近15000个逻辑单元，采用了点距更小的Chip Scale封装，能提供多达232个可使用I/O。
XC6LX16CSG324位于PCB的中心，所有的外围电路都是围绕它，由于管脚密集，芯片周围必须留出足够的空间用于布线。从PCB可以看到配置很多滤波电容，整个布局对称美观。

XC6LX16CSG324的I/O资源分为4个Bank，可以接不同的供电电压，所以设计时要综合考虑管脚的设置和PCB的布局，使得PCB走线距离尽量短和整齐。

3.FPGA配置电路

FPGA是基于SRAM工艺的，断电后将会丢失内部逻辑，所以芯片每次上电必须从外部重新配置FPGA。
可以通过USB PROG口（J3）在线配置FPGA，也可以通过JTAG口（J7）进行配置。

可以选择通过非易失性存储器中的文件在上电时自动配置FPGA。Nexys3有3种模式由跳线（J8）选择：BPI、SPI和JTAG启动模式。

BPI启动模式通过非易失性并行PCM配置FPGA，SPI启动模式通过非易失性串行PCM配置FPGA，JTAG启动模式通过USB HID HOST(J4)连接的闪存配置FPGA。

4.存储模块

Nexys3上一共有3种存储器：16MB的Cellular Ram（Micron M45W8MW16），16MB的并行PCM（Micron NP8P128A13T1760E），16MB的串行PCM（Micron NP5Q128A13ESFC0E）。

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。同步模式时读写周期达到70ns，异步模式时总线速率80MHz。

非易失性相变存储器PCM是一种结合了Flash、EEPROM和RAM的优点的存储器件。能进行位读写，不需要块擦出操作，反复读写次数更多，数据保存时间更长。

Cellular Ram和并行PCM是共用数据和地址总线，从Nexys3我们也可以看到者两者布局是放在一起的。

串行PCM支持Quad-mode，Dual-mode和标准的SPI总线传输协议。

5.电源

Nexys3采用了Linear公司的DC-DC芯片（LTC3633 和LTC3619），产生3.3V、2.5V、1.8V以及1.2V四路电压，最大能承受15V输入电压。
供电方式有3种：USB、外部电源和锂电池，通过跳线（JP1）选择。
跳线J11可以接外部锂电池供电，注意锂电池和外部电源输入是并联起来，所以不能同时接外部电源和锂电池。

1万 · 2013-1-15 23:24

6.时钟

Nexys3有一个100M CMOS晶体振荡器。FPGA的时钟输入一定要分配在全局时钟引脚。
XC6LX16CSG324内置了2个时钟管理逻辑片，每个逻辑片包含2个数字时钟管理模块和4个PLL模块，可以灵活产生各种需要的时钟信号。

7.USB PROG接口

Nexys3上有一个Micro USB接口（J3），编程、传输数据和供电都可以通过这一个接口完成。
在PCB背面有一个USB控制芯片，采用的是Cypress公司的高速USB控制器CY7C68013a。该芯片内嵌了8051内核，能支持USB2.0协议。

8.USB A型接口

Nexys3上有一个标准USB A型接口（J4），它用作USB HID Host接口用来接鼠标、键盘或者闪存。该接口还不支持Hub功能，只能接一个鼠标或者一个键盘。
在PCB背面可以看到Nexys3使用了Microchip公司的单片机芯片PIC24FJ192，使它完成作为USB HID HOST的功能。

9.USB-UART接口（串口）

Nexys3上还有一个Micro USB接口（J13），可以用来与PC机进行串口通信。

USB转接芯片选用了FTDI公司的FT232R，这是一款专门用于USB-UART的单芯片。

10.基本I/O

Nexys3上包括了8个开关，表示开关状态的8个LED灯。一个4位7段数码显示管，5个按钮可以控制数码管的显示和熄灭。

11.以太网口

Nexys3选用了SMSC的以太网物理层收发器芯片LAN8710A，Xilinx的设计工具中提供了以太网MAC控制IP。LAN8710A使用了MII接口并且支持10/100Mb/s。

PCB上还提供了一个RJ45插座。

上电时LAN8710A的默认状态为：MII模式接口，100Base-TX，PHY地址为000。

1万 · 2013-1-15 23:25

12.VGA接口

Xilinx的设计工具提供了VGA控制器的IP，在FPGA中可以完成VGA信号的产生，外围电路简单，只需要一些分压电阻与VGA设备的终端电阻可以产生所需的信号。

输出的VGA信号包括8位RGB颜色信号和2位同步信号，能产生256色的视频图像。

13.Pmod连接器

Nexys3上有4个Pmod连接器。都是2x6直角100mil插座。每个插座包括2个电源信号，2个低信号和8个I/O信号。
Pmod连接器主要连接一些低速的和引脚不多的外部模块，需要注意PCB板上到Pmod连接器的信号走线并没有考虑阻抗和信号匹配的问题。

Digilent提供各种各样的Pmod外围模块，设计者可以根据需要灵活的选用，大大提高了扩展性能。

14.VHDCI连接器

Nexys3上提供一个68脚VHDCI插座。支持SCSI-3总线传输协议，信号传输速率能达到几百兆。
VHDCI包括40个数据信号，8个电源信号和20个地信号。数据信号组成20个阻抗控制信号对。由于是高速的差分信号布线时需要注意尽量平行，长度相等。

FPGA所有与VHDCI信号连接的管脚都处于I/O bank0。跳线（JP8）能选择I/O bank0的供电为3.3V或者2.5V。

15.软件工具

Digilent提供了一个独特强大的调试工具Adept。可以配置Xilinx逻辑器件，初始化扫描链，对FPGA，PROM进行编程，同时还具有开发板的自检校验功能和I/O扩展功能。可以在Digilent官网免费下载

Nexys3完全兼容所有的赛灵思工具，包括免费的WebPackTM，ChipscopeTM，EDKTM（嵌入式处理器设计套件），以及其他工具。

1万 · 2013-1-15 23:25

测试过程

到现在已经对Nexys3的硬件配置有了初步的了解。Nexys3的使用非常方便，平台的搭建非常简单，一根USB-micro下载线能搞定一切，不用额外的稳压电源或者变压器供电，对工程师来说真是个福音，不用在办公室和实验室来回奔波了。直接在办公桌上就可以设计，下载程序。而且携带也很方便，只要有台笔记本到那里都能开始工作。

1.上电前准备

为了监测一些通用的接口，我们还是要准备一根USB-micro线用于与PC串口通信，一台VGA监视用的显示器，一个USB口的鼠标或键盘。有了这些基本可以监测Nexys3的运行了。

虽然Nexys3的配置很简单，还是要花几分钟看看手册，不要马上通电。对于做过硬件设计的人来说，印制板上电前是很紧张的，接通电源一切就不在自己控制中了。Nexys3已经是成熟的产品，当然不会出现什么硬件上的问题。不过同学上电前要注意以下几点：

Nexys3上有2个Micro USB接口，不注意很容易接错了。在J3编程口有“USB PROG”丝印字样，J13串口有“UART”丝印字样。

Nexys3也可以接外部电源供电。这都通过跳线JP1来控制是哪种供电。想直接USB上电的同学要注意这个跳线一定要跳接在USB。

开发板还有一个电源开关SWB，可能你会接上USB发现电源指示灯没亮，别急，也许电源开关还在OFF状态。
Nexys3出厂时在并行PCM中预置了自检程序，在BPI启动模式时，上电后自检程序会自动加载到FPGA中。因此上电后希望能直观感觉板子在工作，那就要注意跳线J8的设置，要选在BPI启动模式，即跳线帽都不接上。

2.上电自检

准备工作都就绪后，USB连线都接上了。在电脑中打开超级终端用作串口监视，串口的配置为：波特率9600,8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。

1万 · 2013-1-15 23:25

将电源开关（SWB）打在ON的位置上，如无意外，Nexys3就开始工作了。

电源指示灯（LD8）为红色表示供电正常，指示灯（LD9）为黄色表示程序已经加载正常，FPGA开始工作七段数码显示管循环显示数字0-9，其下方按钮会控制显示管的显示。8个拨动开关可以控制相对应的LED指示灯。

监视器会显示256色的demo图像。

串口监视程序会显示一些demo信息表示通信正常。

再按下复位按钮时程序会重新加载运行。

1万 · 2013-1-15 23:26

3.下载程序

FPGA的最大特点就是在线可重复编程。Nexys3完全兼容Xilinx的开发工具，通过一根USB下载线就能对FPGA编程。同时Digilent提供的工具Adept能很方便的队Nexys3进行操作能下载程序到FPGA或者非易失性存储器中。

运行程序Adept，它能自动检测连接上Nexys3。Adept的界面很简洁，功能却很强大，不过现在我们最关心的是下载程序。

在Config菜单下，点击browse按钮选择软件自带的Nexys3 demo程序，一般是.bit文件，然后点击program按钮，程序开始对FPGA直接编程。完成后FPGA开始工作，记住这样加载的程序是直接下载到FPGA中的，由于不能保持，断电后必须重新下载程序。

在Memory菜单下，可以对串行和并行PCM编程。需要注意的是要选择对应的存储器，同时加载的文件格式有一定要求，数据格式必须是16位的，可以通过Xilinx的编程工具iMPACT来生成要加载的文件。

程序加载完后，选择SPI或者BPI启动模式（跳线J8），重新上电或者复位后程序就从PCM存储器中的下载到FPGA中运行。

1万 · 2013-1-15 23:26

同时Xilinx的编程工具iMPACT可以通过USB-Micro线直接下载程序到FPGA中。

Adept功能还是蛮强大的，在以后的开发中也许还会用到。

演示程序

设计工具对于选择FPGA进行设计是非常重要的一个部分，Xilinx公司提供了强大的集成设计工具ISE Design Suite。Spartan-6系列FPGA芯片也是适用于Xilinx所倡导的目标设计平台，丰富的IP资源是设计变得更加灵活、方便。Digilent也提供了丰富的Demo程序和参考设计，可以在其官网免费下载。

本文的演示程序分为两种版本，分别基于ISE和EDK。可以了解如何在ISE环境下进行FPGA的设计以及如何用EDK搭建系统平台。该演示程序主要是如何控制Nexys3上的GPIO接口，如怎么控制开发板上的按钮，开关，7段数码显示管，以及USB-UART（串口）连接。

1.ISE下演示程序

一般来说如果我们的设计更多的是逻辑设计时，只需要在ISE下建立工程。

打开xilinx ISE project navigator。

选择File->Open project,打开下载的demo程序。在design窗口的上半部是项目的文件树。右边窗口是一些信息文件。双击项目中的设计文件内容也显示在右边。

选择demo项目的top文件，在design窗口下半部双击Synthesize-XST，开始综合。完成后双击Implement Design，开始布线。完成后双击Generate Programming file。

选择Tools->iMpact，弹出窗口选择JTAG boundary-scan模式，然后选择配置FPGA的.bit文件。右键点击窗口中的FPGA图形，选择program，开始对FPGA进行编程。

Demo程序工作后，7段数码显示管循环显示数字，拨动开关能控制相应LED灯，按钮能控制相应数码管，超级终端能监视串口的信息。

2.EDK下演示程序