FPGA之硬件设计笔记-持续更新中

1、说在前面

本文章将讲述FPGA硬件的设计中的个人看到的一些资料，文章将持续修改，持续完善。

2、FPGA硬件设计总计说明

• 概述： FPGA的硬件设计主要从硬件工程师的角度出发来看的。包括电源及时序、时钟、配置、IO外设 这四个主要部分。
• 难点： FPGA的手册繁多，入门不太好理解
• 方法： 基于别人的实战的设计，看懂，并找出依据和原理
• 参考资料：
  • XC7A35T - 1FTG256C（FBGA256） xilinx ， 黑金的开发板为例进行说明
  • AU15P ： U+ 14nm Artix ， 黑金开发板

3、 原理图详解 - ARITX - 7 系列

• 涉及；DS181&UG471

3.1 顶层框图介绍

开发板的设计通常是尽可能的将所有的资源都接出来以便用户使用。

• 外设
  • USB2.0： FPGA的USB2.0 接口
  • interface ： 外部扩展接口、 LED、 UART转USB、RTC
• memory： DDR3
• FPGA3： 电源
• FPGA2：
  • DDR 接口
  • QSPI接口
  • 配置接口
• FPGA1：
  • 时钟输入
  • 扩展接口
  • rst

3.2 FPGA 电源sheet介绍：

3.2.1 bank 14 和 bank 15的供电

• U5F: IO bank 的供电电压

  • HP Bank：适用于高速数据传输场景，如DDR内存接口，支持高速差分信号，电压最高1.8V。
  • HR Bank：适用于需要支持多种电压标准的场景，电压范围广，最高支持3.3V。
  • GTH： 高速收发器，通常用于高速串行协议
    XC7A35 T的IObank 有哪些可通过这个手册来看：《ug475_7Series_Pkg_Pinout.pdf》P30
    
    最全封装的FGG484 ：
    
    由于我们是FTG256封装的，因此没有bank 16 bank 34一部分 没有GTP
    

  说回电源由于bank 14 bank15 都是HR bank ，我们可以用3.3V供电，根据我们的外设来确定。
  黑金的bank 14 用3.3
  bank 15 用1.5V
  

DD3的供电就是1.5V的所以是对应的

3.2.2 bank 0的供电

Bank 0（配置Bank）是FPGA中一个专用的I/O Bank，主要用于FPGA的配置过程
（1） Bank0的供电的电压是3.3V的，专用的配置供电的电源管脚是VCCO_0

相关配置的管脚有如下几个：

• INIT_B、PROGRAM_B、M[2:0]
  （2） Bank0的第二个供电电压是：VCCADC_0
  （3） Bank0 的第三个供电电压是：VCCBATT_0
  VCCAUX电源为一些bank中的模拟组件进行供电。

3.2.3 Bank34 35 的供电

bank 34 35 都是HR bank，电压范围是-0.5~3.6V，根据外设使用，黑金的设计如下：

从下图可看出，其分别用为扩展IO接口，串口，RST以及USB转换模块的接口。

3.3 核电压和RAM电压以及辅助电压

如下图，VCCINT、VCCAUX、VCCBRAM是FPGA内部的核心电源。

根据手册：《Artix-7 FPGAs Data Sheet:DC and AC Switching Characteristics》 我们可以总结出如下：

VCCint：为 FPGA 内部逻辑电路提供稳定的内核电压，确保内部逻辑电路的正常工作。
VCCaux：为 FPGA 内部的模拟组件和 I/O 缓存电路提供辅助电压，确保这些组件的正常工作。
VCCBRAM：为 FPGA 内部的 Block RAM 资源提供稳定的电源，确保数据的正确存储和读取。

特别注意：VCCADC_0 的供电电压使用的是1.8V，线路串联电感和滤波电容用于保证模拟电源和数字电源的隔离，并且保证模拟GND和数字GND分开。

4 原理图详解-- Ultrascale+ ARTIX

4.1 《ultrascale-plus-fpga-product-selection-guide.pdf》

U+系列的分类：

4.2 DS931: Artix UltraScale+ FPGA Data Sheet: DC and AC Switching Characteristics

4.2.1 电源情况

如下是deepseek生成的结果：关键差异点我给大家标注出来
另一个差异点事Atix U+的用的是GTH和GTY的接口，外需要AUX 辅助电源和CAL 校准电源

4.2.2 资源情况

AU15P：

• GTH： 676 封装的有3个GTH
• HP BANK： 3个 64 65 66 1.8V最大
• HD Bank： 3个 84 85 86 3.3V最大
• SYSMON configuration ：
  • AD[0 to 15][P or N]
  • VCCADC GNDADC ---- 专用管脚
  • VREFP/N — 专用
  • VP/VN — 专用
  • I2C_SCLK I2C_SDA
    

4.3 原理图设计实际参考

4.3.1 电源设计

简单说明： 额外GTH
MGTAVTT ： 1.2V 页给MGTACTTRCAL
MGTAVCC： 0.9V

4.3.2 配置模块设计

4.3.3 电源滤波电容设计《UG583 UltraScale Architecture PCB Design》

4 FPGA的配置模式（UG470）

4.1 artix7系列概述之如何启动

该datasheet主要讲述FPGA的下载和程序载入。
（1） 7 系列的FPGA的程序加载模式主要分成两种：

• Master mode： FPGA主动产生CCLK+外部存储设备。 默认是外部的spi flash，内部有晶体形成时钟，配置完成后时钟就可以关闭了。除非特别的需求。 这个也可以配置的时候说，我要使用外部时钟就是EMCCLK pin
• slave mode： FPGA作为slave 接收来自外部的DSP、processor 等等
  （2） 如何配置
• 通过M1 M2 M3 三个固定pin管脚高低确认，通常是一个大于1kohm 的电阻实现上下拉。如下图。

(3) 配置管脚以及典型连接

（4） 看下黑金的板卡是如何配置的：配置001

• PUDC_B:确认是否启用内部上拉电阻启用，在配置前和配置中，不能float

• program_b: 低电平开始reset，配置逻辑。相当于一个reset，需要外部上拉4.7K ，可以手动复位

• init_b：拉低开始配置FPGA配置，出现错误，initb 会变低，配置完成成功后，FPGA会驱动为高

• Done: 配置完成信号，内部有大概10K的弱上拉，外部可以不接推荐的330电阻，黑金是连接了1k上拉并且连接GND表示Ok

• EMCCLK： NC，读取falsh的spi clk 通过外部时钟给，支持最大100M，使用的时候必须约束和配置好，EMCCLK 信号必须实例化，并在提供 I/O 标准定义的设计中使用

• M2 M1 M0: 001

• E8 pin: CCLK的输出，连接Flash的SPI CLK

• QSPI：使用的是x4，分别连接J13 J14 K15 K16 L12（UG475有详细的连接）

• 如何配置x4：这个应该是flash选择的时候确认好。“待安装完flash后确认”

UG475 P58

点击之后有详细的列表：

4.7 Jtag是使用和管脚连接方式

（1） Jt先看黑金的设计方式： 直连出来：

（2）推荐的设计方式
TCK、TMS、TDI：这些引脚通常需要通过上拉电阻连接到VCCO_0，以确保在正常工作时这些引脚保持高电平。建议使用4.7kΩ或10kΩ的上拉电阻。
TDO：TDO引脚是三态的，不需要上拉或下拉电阻。如果不需要使用JTAG，可以将TDO引脚悬空。

4 总结

如上，本文分别artix-7 系列的FPGA的设计的所有细节进行了说明