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Atlys FPGA开发板评测(一)转发

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kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:08 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
Atlys FPGA开发板是Digilent公司推出的基于Xilinx Spartan 6 LX45 的数字电路开发平台。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。
Spartan6系列FPGA有很多型号,因此基于它为核心的开发板种类也很多,Digilent就有两款基于Spartan6系列FPGA开发板:Atlys和Nexys3。一般来说Nexys3主要针对初学者的入门开发平台,那Atlys有什么优点呢?首先Atlys采用了容量更大的Spartan6 XCSLX45芯片,资源更多,XCSLX45是ISE免费版本WebPACK支持的容量第二位的Spartan6系列 FPGA,性价比也很适合;其次Atlys配备了各种高端接口包括千兆以太网、HDMI视频输入输出、128MByte DDR2存储阵列、AC97 Codec及USB接口,对于FPGA高级设计和应用是一个不错的选择。

Spartan6系列是Xilinx公司目前主推的低成本、低功耗和高性能相结合的FPGA产品,采用可靠的低功耗45nm 9层金属布线双层氧化工艺技术,最大密度能达到15万个逻辑单元。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。
Atlys采用的FPGA主芯片是Spartan6 XC6SLX45,逻辑单元(Logic Cell)高达43661个。
芯片资源XC6SLX45
LCs43661
CLB Slices6822
DSP48A158
Block RAM2088Kb
CMT(时钟管理单元)4
MCB(存储管理单元)2
I/O Bank4
最大用户I/O358
Atlys包括一块开发板、一根micro USB下载线以及5V 4A的电源适配器。

Atlys完全支持Xilinx CAD工具,包括ChipScope, EDK以及免费的WebPack版本。同时Atlys支持两种下载编程方式:JTAG和USB。Digilent的Adept软件支持通过USB实现通信和下载程序,非常快捷方便。特别是Atlys还支持Xilinx 下载工具iMPACT,可以节省成本,不用额外配置一根上千元的官方下载电缆。
Atlys的主要参数:

  • ——Xilinx Spartan-6 XCSLX45 CSG324 FPGA
  • ——128MByte DDR2 16位宽数据存储
  • ——10/100/1000以太网口及RS-232串口
  • ——板载USB2接口,用以编程下载及数据传输
  • ——USB-UART及USB-HID接口(用于连接键盘/鼠标)
  • ——两个HDMI视频输入端口及两个HDMI输出端口
  • ——AC-97编码器,带有线性输入、线性输出、话筒及耳机端口
  • ——实时监测各电源轨上的电流功率
  • ——16MByte x4 SPI Flash用以配置FPGA及数据存储
  • ——板载时钟 100MHz CMOS晶振
  • ——48个可扩展I/O接口(一个VHDC接口、一个PMOD接口)
  • ——GPIO包括8个LED,6个按键以及8个拨码开关
下面我们来看看Atlys硬件的一些详细细节。

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沙发
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:08 | 只看该作者
详细介绍

1。主芯片Spartan6 XC6SLX45 CSG324
Atlys采用的FPGA芯片为XC6SLX45 CSG324,采用了Chip Scale封装(CSP),尺寸为15mm X 15mm,与Nexys3上所用XC6SLX15大小一样。这是LX45的最小一款封装,最大用户I/O只有218个,即只可用109对差分信号。下图可以看到Atlys上的FPGA芯片速度等级为“3C”,这是Spartan-6 LX系列器件的最高等级,DDR2控制器速度达到800Mb/s。

芯片运行速度可达500MHz以上,考虑到应用复杂,Atlys开发板在FPGA芯片上装了一个散热快,实测发热量蛮大。

2。FPGA配置

每次断电之后,FPGA的程序是不能保存的,所以上电之后必须重新配置FPGA的程序。Atlys的FPGA配置有三种方法:

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板凳
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:08 | 只看该作者

  • JTAG接口:FPGA的JTAG接口连接到两个地方,一个是JTAG插座,一个是USB转JTAG口。我们可以通过USB线或者JTAG电缆从PC机下载程序到FPGA,直接下载程序一般格式为.bit或者.svf文件。当然也可以烧录程序到FLASH ROM。
  • SPI FLASH:当跳线JP11断开时,上电后FPGA首先从SPI接口FLASH ROM中下载程序。烧录到FLASH ROM中的程序格式一般为.bit、.bin或者.mcs文件。
  • USB存储器:当跳线JP11短接时,上电后FPGA首先从USB HID口的USB存储器下载程序,该存储器通过2线串行接口与FPGA相连。在USB存储器中程序格式为.bit文件。
3。电源

5V输入:Atlys上外部输入电源只有一个唯一的电源的输入插座J11,标准的内径2.1mm插座。考虑到Atlys上的应用的可能耗电比较大,没有再接入USB供电。

负载开关:Atlys使用了一个Fairchild公司的负载开关FDC6330L,当电源开关开启时提供5V电压,最大电流2.3A。该5V电压主要为HDMI接口、Audio、USB主控制口以及扩展接口VHDC提供电源。


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地板
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:09 | 只看该作者
DC/DC:Atlys上的电源管理芯片都是采用了Linear公司的DC/DC稳压器,为开发版提供各种工作电压包括3.3V、2.5V、1.8V、1.2V以及0.9V。
  • 3.3V、1.8V:LT3501,双通道降压型DC/DC转换器,产生3.3V工作电压和1.8V DDR工作电压。
  • 2.5V、1.2V:LTC3546,双通道同步降压型DC/DC转换器,产生2.5V电压(用于以太网PHY IO、GPIO以及扩展VHDC等)和1.2V 核电压(FPGA、以太网PHY)
  • 0.9V:LTC3413,单路同步降压型DC/DC转换器,产生0.9V DDR终端电压。
电流检测:Atlys提供了一个很有趣和实用的功能,利用Linear公司的I2C接口16位数模转换器LTC2481来检测电流值。一共使用了4片芯片来监测3.3V、2.5V、1.8V和1.2V电压通道上的电流,通过I2C接口能够在PC机上读取数据值,实时直观显示。通过这个我们能估算开发板的功耗以及掌握各个应用的功耗,很有参考价值。

4。FLASH
Atlys上的配置FLASH与FPGA是通过四线SPI接口相连,相比单线SPI接口速度更快。

Atlys上的FLASH ROM采用了Micron公司的串行NOR FLASH N25Q128A13ESF40,容量为128Mbit。一般FPGA配置文件不超过12Mbit,FLASH的其他空间还可以用来作数据存储。

5。DDR2 SDRAM
Atlys上的DDR2 SDRAM采用了Micron公司的MT47H64M16HR-25E(或者兼容器件,如尔必达EDE1116AJBG),容量为64Mx16Bit。其时钟为400MHz,数据读取速率支持DDR2-800,因为位宽为16为,最高性能为12.8Gbps。

6。千兆以太网口
Atlys上使用了Marvell公司的千兆以太网(GbE)PHY收发器88E1111,支持GMII接口(千兆与介质无关接口)。GMII接口支持三种速度模式10/100/1000 Mbit  。88E1111的详细数据手册需要Marvell的授权,有需要的可以直接向Marvell咨询。

Xilinx的设计工具中提供了一个三速以太网MAC IP核,在Digilent的BSB支持文件里会自动生成一个千兆以太网MAC的参考应用,不过IP核不是免费的,需要License。所以要使用上Atlys上的千兆以太网接口不是很容易的。

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5
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:09 | 只看该作者
RJ-45接口使用的是HALO公司的连接器HJF11-1G01ERJ45连接器上没有LED指示,在接口边有六个LED(8-13)用来指示以太网速度和数据传输方向。

7。HDMI接口
Atlys还有一个特点是它的视频输出不再支持VGA信号,而是采用了HDMI(高清多媒体接口)。总共有4路HDMI接口。

其中2路带驱动输入接口、1路带驱动的输出接口以及不带驱动的接口(通常用作输出)。3个带驱动的HDMI接口都是采用HDMI A型接口,另一路则采用了HDMI D型接口,都是19pin信号,尺寸不一样。
HDMI A型

HDMI D型
HDMI驱动芯片采用了TI公司的HDMI中继器TMDS141RHAR,最高支持1080p高清视频。
8。AC97 编码器
Atlys上的AC97音频编码器采用TI的LM4550VH,这款解码芯片有些过时,目前已经停产,只支持AC97 2.1规范。

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6
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:10 | 只看该作者

不过对于一个开发板用于研究学习Audio的开发还是足够了,Digilent的官网提供了AC97参考设计。

9。板载100MHz时钟
和Nexys3上一样,Atlys也采用了100Mhz板载晶振。通过FPGA的2个时钟管理单元和4个PLL产生各种频率时钟。

10。USB PROG
USB的编程下载接口采用了Micro USB接口。

USB控制芯片采用了常用的Cypress CY7C68013A USB控制器,支持高速USB2.0。CY7C68013A与FPGA的JTAG接口和FIFO相连,通过USB口可以实现下载程序和数据传输。同时I2C接口与电流检测LTC2481相连,因此通过USB也能获得开发板的功耗。可惜CY7C68013A的固件并没有开放。
CY7C68013A还配备了Microchip公司的128Kb EEPROM 24AA128,通过跳线JP9控制EEPROM(默认EEPROM没有连接)。

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kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:10 | 只看该作者
11。USB-UART
Atlys上还有一个Micro USB接口J17,作为USB-UART接口。USB接口边都有丝印,防止接错了。
采用了EXAR公司的USB-UART芯片XR21V1410IL16,支持全速USB2.0。在Nexys3上也有一个USB-UART芯片,采用的是FTDI FT232RQ,不过XR21V1410的尺寸更小,而且价格也便宜些。

12。USB HID
与Nexys3一样在Atlys上也有一个USB A型主控制口J13,其USB控制芯片也是采用Microchip公司的PIC24FJ192GB106

主要作为USB HID主控制器连接鼠标或者键盘,同时与FPGA通过2线串行通讯,所以可以外接USB存储器作为FPGA配置下载程序。

13。GPIO外设
作为一个开发板Atlys上也包含一些常用的基本外设如拨码开关、按键和用户LED,用来做GPIO的控制学习。Atlys上的FPGA用户I/O资源并不多,其GPIO外设主要有8路开关、8路LED和6路按键。


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kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:10 | 只看该作者
14。扩展连接器PMOD
受限于FPGA的I/O资源,Atlys的扩展连接器相对来说显得较少,其上只有1个Pmod接口,2x6 12脚插座。

而且Pmod插座的信号是与D型HDMI接口信号共用的。

15。扩展连接器VHDC

Atlys上还有一个68-pin的高速扩展连接器VHDC,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。

FPGA所有与VHDCI信号连接的管脚都处于I/O bank2。跳线(JP12)能选择I/O bank2的供电为3.3V或者2.5V。
16.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,FLASH进行编程,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。

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

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9
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:11 | 只看该作者
自检程序
Atlys FPGA开发板在出厂时已经将Demo程序烧录到SPI FLASH ROM中,该Demo程序能对开发板上大部分模块和接口进行测试。上电配置FPGA后,一个bitmap图像文件从FLASH传送到DDR2 SDRAM中,然后通过HDMI J2输出口输出图像。8个开关控制8个LED灯,6个按钮按下时将在音频输出口Line_out和HP_out输出不同声波声音。
  当然要学习使用Xilinx FPGA设计必须要安装它的开发工具ISE Design Suite,可以到Xilinx官网下载,目前最新的版本为13.3。
Digilent公司也提供了一个非常不错的调试工具Adept,小巧实用,使用非常方便,下载程序很快,搭配起ISE调试不错,Xilinx的ISE软件太耗资源。Adept可以到Digilent网站下载,安装简单。还可以下载插件plugin for xilinx,这样Xilinx的工具可以直接通过USB线来编程配置FPGA。

软件准备工作完了后,我们先试试Atlys FPGA开发板的自检程序。根据自检程序的功能,要准备一个HDMI输出线,接Atlys的那一端必须是HDMI A型接口(母口),这里用了一根HDMI转DVI接口的数据线,为了接上液晶显示器(没有HDMI接口)。

一个耳机或者音箱接到音频的输出。自检程序没有串口监视,可以先不管USB-UART接口。
连接好线路,Micro USB线连到计算机,电源适配器连接好,音频、视频输出都连接好。


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kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:13 | 只看该作者
自检程序
Atlys FPGA开发板在出厂时已经将Demo程序烧录到SPI FLASH ROM中,该Demo程序能对开发板上大部分模块和接口进行测试。上电配置FPGA后,一个bitmap图像文件从FLASH传送到DDR2 SDRAM中,然后通过HDMI J2输出口输出图像。8个开关控制8个LED灯,6个按钮按下时将在音频输出口Line_out和HP_out输出不同声波声音。
  当然要学习使用Xilinx FPGA设计必须要安装它的开发工具ISE Design Suite,可以到Xilinx官网下载,目前最新的版本为13.3。
Digilent公司也提供了一个非常不错的调试工具Adept,小巧实用,使用非常方便,下载程序很快,搭配起ISE调试不错,Xilinx的ISE软件太耗资源。Adept可以到Digilent网站下载,安装简单。还可以下载插件plugin for xilinx,这样Xilinx的工具可以直接通过USB线来编程配置FPGA。

软件准备工作完了后,我们先试试Atlys FPGA开发板的自检程序。根据自检程序的功能,要准备一个HDMI输出线,接Atlys的那一端必须是HDMI A型接口(母口),这里用了一根HDMI转DVI接口的数据线,为了接上液晶显示器(没有HDMI接口)。

一个耳机或者音箱接到音频的输出。自检程序没有串口监视,可以先不管USB-UART接口。
连接好线路,Micro USB线连到计算机,电源适配器连接好,音频、视频输出都连接好。

Atlys上有很多蓝色小跳线帽,可以先不管其他跳线帽怎么连接,JP11的跳线帽要断开,这样才能FPGA在上电后进入SPI配置模式。

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11
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:13 | 只看该作者
模式。
将电源开关拨到ON,绿色电源指示灯,过了一秒左右FPGA DONE指示灯(LD14)变亮,表示此时FPGA配置工作完成,程序已经加载完毕。

再过了2~3秒左右可以看到8个用户LED会闪一下,而显示器上出现条纹码图像,说明FPGA程序运行正常了。

耳机接入Line_out(绿色),按下6个不同按钮时会发出不同的声音。如果把耳机接到HP_out(黑色)口,也能听到声音,而且明显比Line_out输出的声音大,HP_out口的输出音频明显经过了放大处理。

Atlys运行几分钟后,如果把手放到FPGA的散热快上面,明显可以感觉到温度升高,FPGA发热蛮大,这还是只运行了Demo程序,如果FPGA逻辑完全利用起来发热量估计很客观,难怪Digilent会加装一个散热快。

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12
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:13 | 只看该作者
ADEPT
如果上电FPGA没有配置成功,SPI FLASH里的程序不正确时,可以重新烧录FPGA的程序,首先下载目标文件.bin,打开Adept软件,Adept可以自动识别连接的开发板,在Flash菜单下,可以选择加载bin文件。

下载程序到flash中时间稍长,因为是串行SPI接口。
完成后重新上电,FPGA配置运行正常。
  Adept软件专门针对Digilent FPGA开发板的一个调试软件,有些功能非常方便。在Config菜单下可以直接配置.bit或者.svvf文件到FPGA中,因为文件直接配置FPGA,下载速度很快,这种一般用在调试的时候。

在TEST菜单下可以对存储器和GPIO(开关、按键)做个简单测试,选择测试按钮Adept会将测试程序先下载到FPGA,然后可以测试一些接口。

Adept还有一些调试功能,不过需要FPGA程序包括特定模块功能才能实现,以后再介绍。

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13
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:14 | 只看该作者
程序源码
Atlys FPGA开发板的自检程序目标文件.bin文件可以从网上下载,同时也可以在网上下载自检程序的工程文件源码。Digilent提供了Xilinx EDK下的工程文件,不过其版本是12.2的,而目前ISE Design Suite最新版本是13.3,所以使用自检程序的EDK工程文件,部分IP核需要升级。
解压下载的实例,用Xilinx软件下的Xilinx Paltform Studio打开顶层文件system.xmp,会弹出窗口告知IP核需要升级的wizard。

按照软件的Wizard执行,上图可以看出部分IP核的升级可以有软件自动完成,但是有些IP核的功能有比较大的变化,不在向上兼容,必须要手动更改。如下黄色三角感叹号标志的IP核说明必须手动更改。

删除旧的IP核,然后在IP目录下添加新的版本IP,此时MHS文件被自动更改,IP的端口连接和内部总线需要手动添加。因为IP升级但是端口和总线连接没有改变,可以根据备份的MHS文件来修改。

修改完成后,选择Hardware->Generate Bitstream编译项目,Xilinx EDK的编译过程很慢,将近花了半个小时才完成,需要耐心等该啊。

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14
kkzz|  楼主 | 2013-2-1 13:14 | 只看该作者
如果没有错误,选择Project->Export Hardware Design to SDK...,弹出窗口启动软件环境SDK。

下载的实例文件中也包含了软件测试程序。新建立一个软件的工程导入测试程序的源码进行编译。

编译完成后选择Xilinx Tools->Program FPGA将下载程序到开发板FPGA中,开发板运行结果与自检程序效果一样。

小结
运行了Atlys FPGA开发板的自己按测试程序,通过Adept软件下载调试FPGA开发板。将Atlys FPGA开发板的自检程序EDK工程由12.2版本升级到新的13.2版本,Spartan6 LX45的资源比LX15芯片大很多,工程编译时要花很长时间,大量时间花在软件编译上。Atlys FPGA开发板的自检程序测试了大部分设备,尤其是视频和音频部分,下一步将介绍开发板上外设的使用。

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梅花望青竹| | 2013-2-2 23:17 | 只看该作者
不错哎,以后要买个!

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cjhk| | 2013-2-3 18:26 | 只看该作者
不错哦   资料很强大   谢谢了   楼主   谢谢你的共享   呵呵

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17
xiaocaicai111| | 2013-2-4 11:27 | 只看该作者
这篇**是从爱板网转过来的吧,写的不错,还有连载的,楼主找个时间全转过来吧!!!

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18
cjhk| | 2013-2-9 15:31 | 只看该作者
呵呵   好资料   多转一些   不错哦   这样大家可以共同进步    呵呵   顶一个   呵呵

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19
hawksabre| | 2013-2-13 18:57 | 只看该作者
资料不错哦   呵呵   抽空需要好好熟悉熟悉   呵呵   小菜飘过

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20
GoldSunMonkey| | 2013-2-14 23:02 | 只看该作者
感谢分享

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