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一、開發(fā)系統(tǒng)介紹

開發(fā)系統(tǒng)概述

MES2L676-200HP 開發(fā)板采用紫光同創(chuàng) logos2 系列 FPGA，型號：PG2L200H-6FBB676。開發(fā)板采用核心板+擴(kuò)展版結(jié)構(gòu)，核心板與擴(kuò)展板之間使用高速板對板連接器進(jìn)行連接，核 心 板 側(cè) 連 接 器 型 號 ： LB3524-G120P-WOR ， 擴(kuò) 展 板 側(cè) 連 接 器 型 號 ：LB3524-G120S-WOR。

核心板主要由 FPGA+2 顆 DDR3+2 顆 FLASH+電源及復(fù)位組成，承擔(dān)了 FPGA 最小系統(tǒng)運(yùn)行及高速數(shù)據(jù)處理及存儲功能。FPGA 選用紫光同創(chuàng) 28nm 工藝 FPGA（logos2：PG2L200H-6FBB676）；PG2L200H 與 DDR3 在數(shù)據(jù)交互時(shí)時(shí)鐘頻率最高可達(dá) 1066Mbps，兩顆 DDR3 數(shù)據(jù)位寬共 32bit，因此數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)（1066Mbps*32），充分滿足高速多路數(shù)據(jù)存儲的需求；另外 PG2L200H FPGA 帶有 8 路 HSST 高速收發(fā)器，每路速度高達(dá)6.6Gb/，非常適用于光纖通信與 PCIe 通信；核心板上的兩顆 FLASH 采用，主要用于存儲 FPGA 配置文件 。

底板為核心板擴(kuò)展了豐富的外圍接口，其中包括 HDMI 輸出接口、HDMI 輸入接口、網(wǎng)口、串口，SD 卡接口、光纖模塊接口，SMA 接口、PCIe 接口，并配置了按鍵、LED燈、EEPROM 器件。

開發(fā)系統(tǒng)簡介

開發(fā)系統(tǒng)外設(shè)資源?

開發(fā)系統(tǒng)功能框圖?

綜上所述，MES2L676-200HP 開發(fā)平臺所能實(shí)現(xiàn)的功能描述如下所示：

? Logos2 FPGA 核心板
由 PG2L200H-6IFBB676+2 片 512MB DDR3 + 2 片 128Mb QSPI FLASH 組成。?

? PCIe X4 接口 * 1
支持 PCI Express 2.0 標(biāo)準(zhǔn)，提供 PCIe X4 高速數(shù)據(jù)傳輸接口，單通道通信速率可高達(dá) 5GBaud。

? SFP 高速光纖接口 * 2
Logos2 FPGA 的 HSST 收發(fā)器的 2 路高速收發(fā)器連接到 2 個(gè)光模塊的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn) 2 路高速的光纖通信接口。每路的光纖數(shù)據(jù)通信接收和發(fā)送的速度高達(dá)6.6Gb/s。

? SMA 接口
Logos2 FPGA 的 HSST 收發(fā)器的 1 路高速收發(fā)器連接到 SMA 接口，數(shù)據(jù)通信接收和發(fā)送的速度高達(dá) 6.6Gb/s。

? HDMI 輸出 * 1
選用了國產(chǎn)宏晶微公司的 MS7210 HMDI 發(fā)送芯片，兼容 HDMI1.4b 及 HDMI 1.4b下標(biāo)準(zhǔn)視頻的 3D 傳輸格式。支持的最高分辨率高達(dá) 4K@30Hz，最高采樣率達(dá)到 300MHz；支持 HBR 音頻。

? HDMI 輸入 * 1
選用了國產(chǎn)宏晶微公司的 MS7200 HMDI 接收芯片，兼容 HDMI1.4b 及 HDMI 1.4b下標(biāo)準(zhǔn)視頻的 3D 傳輸格式。支持的最高分辨率高達(dá) 4K@30Hz，最高采樣率達(dá)到 300MHz；支持 HBR 音頻。

? USB 轉(zhuǎn)串口 * 1
用于與電腦進(jìn)行串口通信，方便用戶進(jìn)行調(diào)試。串口芯片采用 Silicon Labs 的USB-UART 芯片: CP2102 , USB 接口采用 USB Type C 接口。

? Micro SD 卡座
支持 SDIO 模式和 SPI 模式。

? EEPROM
板載一片 IIC 接口的 EEPROM：24C02；

? JTAG 接口
10 針 2.54mm 間距的雙排排針口，用于 FPGA 程序的下載和調(diào)試。

? LED 燈
8 個(gè)用戶發(fā)光二極管；

? 按鍵
8 個(gè)用戶按鍵，1 個(gè)復(fù)位按鍵；

? FMC 擴(kuò)展口
FMC 擴(kuò)展口共擴(kuò)展 29 對差分 IO，1 路 I2C 總線信號，一路 HSSTLP 高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)信號以及為 HSSTLP 提供的一路參考時(shí)鐘。

二、核心板

核心板概述
MES2L676-200HP 核心板是“小眼睛科技”基于多年 FPGA 開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用紫光同創(chuàng)logos2 系列 PG2L200H-6IFBB676 作為主控芯片而開發(fā)的全新國產(chǎn)高性能 FPGA 核心板，具有高數(shù)據(jù)帶寬、高存儲容量的特點(diǎn)，適用于視頻圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等多元應(yīng)用場景。

MES2L676-200HP 核心板使用了 2 片 DDR3 芯片， DDR3 總?cè)萘?8Gbit，組合數(shù)據(jù)總線寬度為 32bit，最高速率支持 1066Mbps，滿足用戶高帶寬的數(shù)據(jù)處理需求。

MES2L676-200HP 核心板擴(kuò)展出 8 對 HSST TX/RX 信號，用于光纖通信、PCIe 通信、FMC 接口通信。在滿足用戶需求的同時(shí)，FPGA 芯片到接口之間走線做了等長和差分處理，非常適合二次開發(fā)。

MES2L676-200HP 核心板尺寸結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

系統(tǒng)描述

FPGA
FPGA 型號為 PG2L200H-6IFBB676，屬于紫光同創(chuàng) logos2 系列產(chǎn)品，速度等級為 6，溫度范圍：工業(yè)級（-40~100°C），FBB 封裝，管腳數(shù)目 676。紫光同創(chuàng) Logos2 系列 FPGA 產(chǎn)品型號的編號內(nèi)容及意義如下：?

PG2L200H-6IFBB676 主要參數(shù)如下：

電源接口
MES2L676-200HP 核心板供電電壓為 VCCIN，輸入電壓為 5V，需通過板對板連接器供電，連接底板時(shí)通過底板供電。板上的電源設(shè)計(jì)示意圖如下圖所示:?

各電源的功能如下表所示：

?時(shí)鐘

?MES2L676-200HP 核心板上配有 1 個(gè)有源差分晶振，1 個(gè)單端 27MHz 晶振。差分晶振用于 DDR3 的參考時(shí)鐘輸入，單端 27MHz 用于 FPGA 的系統(tǒng)時(shí)鐘源。

125MHz 差分晶振

下圖中 U7 為 125MHz 有源差分晶振，此時(shí)鐘為 DDR3 提供輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，晶振輸出到 FPGA DDR3 信號所在 BANK 上。

具體的管腳約束如下表所示：

27MHz 單端時(shí)鐘

下圖 U11 為 27MHz 有源晶振電路，此時(shí)中連接至 FPGA 內(nèi)部的全局時(shí)鐘管腳上，可為 FPGA 提供輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘。

具體的管腳約束如下表所示：?

上電 IO Status?

在 Logos2 器件上有一個(gè)功能復(fù)用 IO，控制從上電完成后到進(jìn)入用戶模式之前中所有用戶 IO 的弱上拉電阻是否使能。此管腳在配置之前或是配置過程中，該引腳不允許懸空，此 IO 在上電后的對應(yīng)功能如下：
（1）“0”，使能所有用戶 IO 內(nèi)部上拉電阻。
（2）“1”，不使能所有用戶 IO 內(nèi)部上拉電阻。
MES2L676-200HP 核心板將此管腳的功能默認(rèn)接 GND，用戶可根據(jù)需求，自行焊接電阻選擇上電后初始的 IO 狀態(tài)；
功能電路如下：?

JTAG 接口?

MES2L676-200HP 核心板正面左上角預(yù)留 JTAG 觸點(diǎn)，可在沒有底板的情況下調(diào)試核心板。FPGA 的 JTAG 信號通過高速板對板連接器與底板 JTAG 接口相連，用于下載FPGA 程序或者固化程序到 FLASH。

DDR3?

MES2L676-200HP 核心板配了兩個(gè) 4Gbit（512MB）的 DDR3 芯片（共計(jì) 8Gbit），DDR 的總線寬度供 32bit，DDR3 型號選擇為 Micron 公司 MT41K256M16TW-107:P，（兼容 Micron MT41K256M16HA-125、Winbong W634GU6NB-11）。DDR3 SDRAM 的最高運(yùn)行時(shí)鐘速度可達(dá) 533MHz（數(shù)據(jù)速率）。該 DDR3 存儲系統(tǒng)直接連接到了 FPGA 的 R4、R5，DDR3 SDRAM 的硬件連接示意圖如下圖所示：

DDR3 布線采用 50 歐姆走線阻抗用于單端信號，DCI 電阻（VRP / VRN）以及差分時(shí)鐘設(shè)置為 100 歐姆。每個(gè) DDR3 芯片在 ZQ 上采用 240 歐姆電阻下拉。DDR-VDDQ設(shè)置為 1.5V，以支持所選的 DDR3 器件。DDR-VTT 是與 DDR-VDDQ 始終電壓跟隨，保持為 1/2 倍 DDR-VDDQ 的電壓值。DDR-VREF 是一個(gè)獨(dú)立的緩沖輸出，等于 1/2 倍DDR-VDDQ 的電壓。DDR-VREF 是隔離的，可為 DDR 電平轉(zhuǎn)換提供更清晰的參考。?

具體的管腳分配如下表所示：

QSPI Flash?

MES2L676-200HP 核心板采用兩片 winbond 公司的 4 位 SPI（QSPI）串行 Nor 閃存
W25Q128JV，容量共 256Mb，最高支持 8bit 模式。
兩顆 QSPI FLASH（U15、U9）的電路連接如下：

QSPI Flash 管腳分配如下:

擴(kuò)展 IO?

擴(kuò)展 IOMES2L676-200HP 核心板背面共有 4 個(gè) 120pin 高速擴(kuò)展口 J1/J2/J3/J4，核心板側(cè)連接器型號：LB3524-G120P-WOR，擴(kuò)展板側(cè)連接器型號：LB3524-G120S-WOR。，

FPGA 的 IO 通過 4 個(gè)擴(kuò)展口與底板連接，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

擴(kuò)展口 J1

擴(kuò)展口 J2

擴(kuò)展口 J3

注：“*”標(biāo) IO 為 1.5V 電平標(biāo)準(zhǔn)，其他 IO 為 3.3V 電平標(biāo)準(zhǔn)；?

擴(kuò)展口 J4

三、擴(kuò)展底板

擴(kuò)展底板簡介

通過前面開發(fā)系統(tǒng)的介紹可知，擴(kuò)展底板的外設(shè)資源如下：

HDMI 輸出接口 *1
光纖接口 *2
SD 卡接口 *1
HDMI 輸入接口 *1
10/100/1000M 以太網(wǎng)接口 *1
SMA 接口 *4
PCIe 接口 *1
按鍵 *5
USB 轉(zhuǎn) UART *1
Jtag 調(diào)試接口 *1
LED 燈 *8
FMA 連接器 *1? ?

外接接口通信

網(wǎng)口

MES2L676-200HP 開發(fā)板使用 Realtek RTL8211 PHY 實(shí)現(xiàn)了一個(gè) 10/100/1000 以太網(wǎng)端口，用于網(wǎng)絡(luò)連接。 該器件工作電壓為支持 2.5V、3.3V。PHY 連接到 BANK L3，并通過 RGMII 接口連接到 MES2L676-200HP。RJ-45 連接器是 HFJ11-1G01E-L12RL，具有集成的自動(dòng)纏繞磁性元件，可提高性能、質(zhì)量和可靠性。RJ-45 有兩個(gè)狀態(tài)指示燈 LED，用于指示流量和有效鏈路狀態(tài)。

下圖為 MES2L676-200HP 開發(fā)板上的網(wǎng)口連接框圖。 ? ? ?

具體的管腳分配如下所示：

SFP 光纖接口

MES2L676-200HP 板上有 2 路 SFP 光纖接口，用戶可使用光模塊與光纖接口相連進(jìn)行光纖通信。2 路光纖接口分別跟 FPGA 的 HSST 收發(fā)器的 2 路 RX/TX 相連接， TX 信號和 RX 信號都是以差分信號方式連接 FPGA 和光模塊，每路 TX 發(fā)送和 RX 接收數(shù)據(jù)速率高達(dá) 6.6Gb/s。HSST 收發(fā)器的參考時(shí)鐘由板載的 125M 差分晶振提供。

FPGA 和光纖設(shè)計(jì)示意圖如下圖所示:?

具體的管腳約束如下表所示：

SMA 接口

MES2L676-200HP 板上擴(kuò)展了一路 SMA 接口信號用于高速數(shù)據(jù)傳輸。開發(fā)板 SMA接口符合標(biāo)準(zhǔn) SMA 接口規(guī)范，可使用”內(nèi)螺旋+插針“的 SMA 線連接板卡”外螺旋+插孔”的 SMA 接口進(jìn)行通信，板卡 SMA 接口與 FPGA 的 HSST 收發(fā)器的一路 RX/TX 相連，TX信號和 RX 信號都是以差分信號方式通過隔直電容連接 FPGA 和 SMA 接口， TX 發(fā)送和 RX 接收數(shù)據(jù)速率高達(dá) 6.6Gb/s。HSST 收發(fā)器的參考時(shí)鐘由板載的 125M 差分晶振提供。?

具體的管腳約束如下表所示：

PCIe x4 接口

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板上提供一個(gè)工業(yè)級高速數(shù)據(jù)傳輸 PCIe x4 接口， PCIE卡的外形尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)PCIe卡電氣規(guī)范要求，可直接在普通PC的x4PCIe插槽上使用。

PCIe接口的收發(fā)信號直接跟FPGA的HSST收發(fā)器相連接，四通道的 TX 信號和RX 信號都是以差分信號方式連接到FPGA，單通道通信速率可高達(dá)5G bit帶寬。PCIe 的參考時(shí)鐘由PC的PCIe 插槽提供給開發(fā)板，參考時(shí)鐘頻率為100Mhz。

TX 發(fā)送信號和參考時(shí)鐘 CLK 信號用 AC 耦合模式連接。

MES2L676-200HP 與 PCIe 卡槽的管腳連接如下表所示。

串口

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板上集成了一路 USB 轉(zhuǎn)串口模塊，采用的 USB-UART 芯片是 CP2102 , USB 接口采用 USB Type C 接口，可用 USB Type C 線連接到 PC 端進(jìn)行串口數(shù)據(jù)通信。

USB Uart 電路設(shè)計(jì)的示意圖如下圖所示：

具體的管腳分配如下：

JTAG

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板上的 JTAG 接口用于下載 FPGA 程序或者固化程序到FLASH。為了減輕帶電插拔造成對 FPGA 芯片的損壞，在設(shè)計(jì)上在 JTAG 信號位置添加了保護(hù)二極管來保證信號的電壓在 FPGA 接受的范圍，避免 FPGA 的損壞。

提醒：通電的情況下，應(yīng)避免帶電插拔。?

HDMI

HDMI 輸入接口

HDMI輸入接口的實(shí)現(xiàn)，選用了國產(chǎn)宏晶微公司的MS7200HMDI接收芯片， 兼容 HDMI1.4b及 HDMI 1.4b下標(biāo)準(zhǔn)視頻的3D傳輸格式。支持的最高分辨率高達(dá)4K@30Hz，最高采樣率達(dá)到 300MHz；MS7200 支持 YUV 和 RGB 之間的色彩空間轉(zhuǎn)換，數(shù)字接口支持 YUV 及 RGB 格式輸出；MS7200 不僅支持通過 IIS 總線或 SPDIF 傳輸高清音頻，還支持高比特音頻（HBR）音頻，在 HBR 模式下，音頻采樣率最高為 768KHz。其中 MS7200 的 IIC 配置接口與 FPGA 的 IO 相連，通過 FPGA 的編程來對 MS7200進(jìn)行初始化和控制操作，MES2L676-200HP 開發(fā)板上將 MS7200 的 SA 管腳下拉到地，故 IIC 的 ID 地址為 0x56；

HDMI 輸入接口的硬件連接如下圖所示。?

具體的管腳分配如下所示：

HDMI 輸出接口

HDMI 輸出接口的實(shí)現(xiàn)，選用了國產(chǎn)宏晶微公司的 MS7210 HMDI 發(fā)送芯片，兼容?HDMI1.4b 及 HDMI 1.4b 下標(biāo)準(zhǔn)視頻的 3D 傳輸格式。內(nèi)置可編程 EDID 緩存，支持的最高分辨率高達(dá)4K@30Hz，最高采樣率達(dá)到 300MHz；MS7210 支持 YUV 和 RGB之間的色彩空間轉(zhuǎn)換，數(shù)字接口支持 YUV 及 RGB 格式輸入；MS7210 的 IIS 接口不僅支持高清音頻的傳輸，還支持高比特音頻（HBR）音頻，在 HBR 模式下，音頻采樣率最高為 768KHz。其中，MS7210 的 IIC 配置接口與 FPGA 的 IO 相連，通過 FPGA 的編程來對 MS7210 進(jìn)行初始化和控制操作，MES2L676-200HP 開發(fā)板將 MS7210 的SA 管腳上拉到電源電壓，故 IIC 的 ID 地址為 0xB2；HDMI 輸出接口的硬件連接如下圖所示。

具體的管腳分配如下表所示：

按鍵/指示燈/存儲接口

按鍵?

MES2L676-200HP 開發(fā)板上擴(kuò)展有 5 個(gè)用戶按鍵，按鍵連接在 FPGA 普通 IO 上，低電平有效；按鍵未按下時(shí)，按鍵信號為高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，按鍵信號為低電平。

具體管腳分配如下：

LED 燈

MES2L676-200HP 開發(fā)板上擴(kuò)展有 8 個(gè)用戶 LED 燈，連接在 PG2L200H 的 bank L3上，FPGA 輸出高電平時(shí) LED 燈亮。

擴(kuò)展板上 LED 燈功能電路圖如下圖所示：?

具體的管腳分配如下所示：

EEPROM

MES2L676-200HP 開發(fā)板板載了一片容量為：2Kbit（1*256*8bit）的 EEPROM ，型號為 24LC02,由 1 個(gè) 256byte 的 block 組成,通過 IIC 總線進(jìn)行通信。EEPROM 的I2C 信號連接的 FPGA 的 IO 口上。下圖為 EEPROM 的設(shè)計(jì)示意圖；?

具體的管腳分配如下：

SD CARD

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板上擴(kuò)展了一個(gè) SD card 接口，支持 SPI 模式和 SD 模式，使用的 SD 卡為 MicroSD 卡，接口電壓為 3.3V，原理圖如下圖所示：?

SD card 原理圖

具體的管腳分配如下：?

時(shí)鐘

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板上配有兩個(gè) 125MHz 有源差分晶振與 1 個(gè) 27MHz 有源晶振。兩個(gè)差分晶振用于 HSST 參考時(shí)鐘輸入。?

125MHz 有源差分晶振

下圖 U3 為 125MHz 有源差分晶振之一，用于光纖通信的參考時(shí)鐘輸入，晶振時(shí)鐘輸入至 BANK L7 上。

具體的管腳分配如下表所示：

下圖 U4 為另一個(gè) 125MHz 有源差分晶振，用于 PCIe 通信的參考時(shí)鐘輸入，晶振時(shí)鐘輸入至 FPGA 的 BANK L3 上。

具體的管腳分配如下表所示：

27MHz 有源晶振

下圖 U10 為擴(kuò)展底板 27MHz 有源單端時(shí)鐘預(yù)留于擴(kuò)展地板上。?

具體的管腳分配如下表所示：

FMC 連接器

MES2L676-200HP 擴(kuò)展底板預(yù)留了一組 FMC LPC 擴(kuò)展口，符合 FMC 接口規(guī)范，可用于外接 FMC 模塊（HDMI 輸入輸出模塊、高速 AD 模塊）。

其中 FMC 擴(kuò)展口共擴(kuò)展 29 對差分 IO，1 路 I2C 總線信號，一路 HSSTLP 高速串行數(shù)據(jù)收發(fā)信號以及為 HSSTLP 提供的一路參考時(shí)鐘。FMC 擴(kuò)展的差分信號分別連接在BANK L6、BANK L5、BANK L4、BANK L7 上，其中 BANK L6 的 IO 電壓由 L6_VADJ 決定，且 L6_VADJ 可通過跳線帽座連接 J20 處的不同針腳決定為 3.3V 或 2.5V。?

? ? ? ? ? ? ? ? J20 位置?

FPGA 與 FMC 連接器相連的框圖如下表所示：

具體的管腳分配如下表所示：

J33-A：?

供電電源

開發(fā)板的電源輸入電壓為+12V，請使用開發(fā)板自帶的電源,不要用其他規(guī)格的電源，以免損壞開發(fā)板。擴(kuò)展板上通過 1 路 DC/DC 電源芯片 SGM61163 把+12V 電壓轉(zhuǎn)化成+5V 電源，最大輸出電流 6A;另使用一路 DC/DC 電源芯片 MT2492 把+5V 轉(zhuǎn)換出+3.3V電源最大輸出電流 2A 供外設(shè)接口使用；擴(kuò)展板上的+5V 電源通過板間連接器給核心板供電，擴(kuò)展板上電源設(shè)計(jì)如下圖所示:?

底板尺寸圖?