FPGA板级电路设计五要素

本文节选自特权同学的图书《FPGA设计实战演练（逻辑篇）》

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         和纯粹基于PC机的各种软件编程不同，FPGA器件的学习仅靠一台PC机是不够的。对于任何一个学习者而言，能够拥有一块板载FPGA器件的电路板平台是非常必要的。当然了，前期的开发调试肯定也还是离不开PC机。和基于PC机的软件编程（如在Visual C++工具上实现C/C++语言的编程，在各种网络编程工具上实现.net/java语言的编程）相同的是，可编程器件的开发也有专用的语言（目前主流的语言是Verilog和VHDL）和专用的开发工具（如Xilinx公司的开发工具ISE，Altera公司的开发工具Quartus II以及其他的第三方工具）。不同点也显而易见，PC的软件编程由于最终就是实现在PC机本地或者网络上，那么它就不需要开发者配备额外的设备；而基于FPGA器件的开发，其最终的功能是需要实现在特定的FPGA器件内部的，因此开发者势必需要首先具备载有FPGA器件的一块电路板。除此以外，还需要具备一条用于连接PC机和可编程器件的用于传输配置数据流的连接线，我们通常称此连接线为“下载线”。（特权同学，版权所有）

         如图3.1所示，对于任何一个FPGA开发者而言，一条下载线和一块板载FPGA器件的电路板应该说是最基本的硬件配备了。电路板的作用不言而喻，我们设计的目的便是希望通过对板载的FPGA器件编程，以控制电路板上的其他外设按照我们既定的功能运转；而下载线是起到连接PC机和电路板的作用，它将协助开发人员将已经在PC机的软件工具上预先设计好的功能配置数据流固化到电路板的FPGA器件中（可用于前期的开发、调试以及产品化后的升级）。（特权同学，版权所有）

图3.1 下载线和电路板

         既然需要一块板载FPGA器件的电路板，那么这块电路板该如何设计呢？如图3.2和图3.3所示，分别为Xilinx公司最新的的Zynq Soc FPGA开发板和Altera公司最新的Cyclone V Soc FPGA开发板。乍一看，整齐有序且美观大方，丰富的外设资源，恐怕大伙都要垂涎三尺了，而要咱们初学者也DIY一个，那真叫 “比骆驼穿过针的眼还难”。（特权同学，版权所有）

图3.2 Xilinx – Zynq Soc FPGA开发板

图3.3 Altera - Cyclone V Soc FPGA开发板

         别心慌，先抛开电路板各种各样复杂的外设功能，我们可以先探讨一下单纯实现一片FPGA器件的核心电路（即能让FPGA工作起来的最基本且元器件最少的电路）是如何设计的。相比于其它嵌入式系统芯片的电路设计，单纯的FPGA核心电路其实还算是非常简单的。根据过往的设计经验中，笔者简单的将FPGA核心电路归纳为五部分：电源电路、时钟电路、复位电路、配置电路和外设电路，我们姑且称之为五要素。下面我们将逐一探讨各个要素在FPGA器件的运行中扮演的角色及其常规电路的设计方式。（特权同学，版权所有）