NightFPGA——DIY一个自己的FPGA开发平台 开发平台, 处理器, 外设

pengpengpang

一直想DIY一个自己的FPGA开发平台，能够像一台小电脑一样运行，并依自己的需要随意扩展外设。不能太贵也不要太低端。由于前些日子忙于各种事情，抽不出身，所以一直搁置，现在把设想提出来，希望有共同兴趣爱好的朋友加入，或者提出你的看法和建议。好的设计是需要不断推敲和论证的，兔子在此不尽感激。
设想的起因：
借助一块参加论坛活动获得的ZedBoard，让我真正地到了FPGA的神奇之处，这是之前做逻辑粘合时无法比拟的感受。一个（或多个）处理器内核，一条AXI总线，通过组合各种外设，FPGA就能够用来搭建一个图形化的通用嵌入式平台。在Linux系统下，集合图形显示、音频输入输出、以太网、USB等功能，并且可以随意地裁剪组合，看来Xilinx宣称的All Programable是恰如其分的。
然而问题还是有的——ZYNQ平台瞄准的是较为高端的领域，因而成本不菲，并且其Cortex-A9硬核只适用于ZYNQ-7000系列，不具有通用性。于是决定利用Xilinx的MicroBlaze软核DIY一款通用性更强，价格更低廉的嵌入式平台。硬件就选用同样支持AXI总线的Spartan-6 FPGA（Spartan-3E只支持早期的OPB），这样一来自行开发的外设也可以与ZYNQ通用。
整体结构：
这就是兔子的初步设想，各种配置一应俱全。本来希望加个USB Device或者USB Host（划红线的地方），但由于USB芯片占用大量的IO，且需要另行编程，加不加就需要斟酌了。


芯片选型：
确定了设计方向和功能后，我对使用的主要IC做了选型（电源方案还没确定），如下表所示：

功能类型	器件型号	说明
FPGA	XC6SLX16-2FTG256C	14.5K Cell，MCBx2，I/Ox186，FTBGA260
DDR2	MT47H64M16HR-3	1Gbit DDR2-667，16-Bit，FBGA84
Flash	W25Q16BVSIG	32Mbit SPI Flash，SO8
Video	ADV7125JSTZ140	140MHz，24位色VGA输出，LQFP48
Audio	WM8731S	Audio Codec，I2S，SSOP28
Ethernet Phy	RT8211CL/RT8201EL	PHY，首选GE RGMII，备选FE MII，LQFP48
USB	CY7C68013A-56LTXC	USB2.0 SOC，16-Bit总线，8051核，QFN56（优先去除）
UART	CP2102	USB2.0 to UART Bridge，QFN28
SD Card	Standard SD Connector	SD卡槽，存储大量数据及Linux系统
PS2	Standard PS2 Connector	PS2母头x2，连接鼠标键盘
Extend Con	PMOD Connector	PMOD排座若干，扩展一般功能模块
	High Speed Connector	高速连接器座，扩展高速信号模块

FPGA选用了FBGA256封装的LX16，这个封装采用4层PCB基本可以搞定，可以节省不少DIY成本，选这个芯片可以说权衡了成本、资源和设计。Spartan-6里除了TQFP144的就是BGA，真的很让人不爽。相应的，DDR2也是BGA封装，最高工作频率667MHz，128M-Byte容量，能够满足一般的Linux应用。
QSPI Flash用作配置器件，价格适中速度也说得过去，令配SD卡接口，用来放Linux文件系统和数据。视频输出这部分很多开发板上都用电阻来搭，只能用于演示，这里兔子选用VGA芯片ADV7125，包含3个8位DAC，能够达到24位色。音频选用Wolfson的芯片我倒是没什么底，因为有人用它，应该比较容易找到资料。
以太网芯片选用GE还是FE的PHY需要确认，FE的可能有人觉得太水了，但GE的不知道Xilinx有没有现成的AXI MAC IP可用。这两款芯片是可以做兼容性设计的。
CY7C68013A这个芯片比较鸡肋，原因除上面提到的以外，还有就是这个开发平台兔子希望设计成一个主机设备，运行自己的嵌入式Linux系统，而不是简单的下位机。最初的设想是有一个USB Host来接键盘鼠标，后来从复杂度考虑还是作罢，改用PS2的键鼠，简单省钱。
串口设计成U转串的形式，方便tty调试。扩展口方面，觉得Digilent的PMOD接口形式不错，可作为低速I/O使用，另加一高速连接器座，用于扩展高速应用的子板。
结构设计最好能配合照市面上已有终端设备来做，这样可以直接套用其外壳，最终做成这样的小设备：


设计生产规划：
兔子准备在年后开始一步步执行计划，首先是两周左右的论证（同时开始进行原理图设计），原理图应该在1月期间完成，之后是5周左右的PCB设计。
投板在网上进行，问题是要不要由PCB厂家来进行阻抗控制（成本会相应增加）。PCB一般会回来10pcs，BGA焊接是个大问题，兔子准备想办法找人帮忙贴3pcs，只贴BGA，剩下的元件手焊。或者哪位有更好的建议和门路也行，只要费用不是太高，委托贴焊也可以。
备料工作在PCB投板后进行，考虑成本问题，兔子自己只会买3pcs的物料，若有童鞋一起参与再考虑增加数量。焊接调试会持续两周，测试基本的功能，出测试代码。