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USB-FPGA-Modul 2.16:
FPGA-Board mit Artix 7 XC7A200T und EZ-USB FX2

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Inhaltsverzeichnis

Blockdiagramm
Eigenschaften
Varianten
Funktions-Beschreibung
    Gemeinsame Funktionen aller FPGA-Boards der Serie 2
    EEPROM-Adresse: JP1
    FPGA Status: LED1
    Stromversorgung: CON3
    Taktquellen
    Konfigurations-Booster-CPLD und Flash
    Externer I/O-Verbinder
    Kühlkörper
    JTAG
    Batterie-Option
Bilder

Zusätzliche Ressourcen

Schaltplan
Quelldateien und jed-Datei für das Konfigurations-Booster-CPLD
Pin-Belegung und Netzliste (Gnumeric-Format, mehrere Blätter)
Pin-Belegung und Netzliste (Excel-Format, mehrere Blätter)
Eagle-Bibliothek des I/O-Verbinders
I/O-Leiterbahnen-Längen
[externer Link] Datenblätter der Xilinx Artix 7 Familie von der Xilinx Homepage
[externer Link] Cypress CY7C68013A/14A Datenblatt von der Cypress Homepage
[externer Link] "EZ-USB FX2 Technical Reference Manual" von der Cypress Homepage

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Debug-Board
Serie-1-Adapter-Board
Cluster-Basisplatine

ZTEX FPGA-Board mit Spartan 7 XC7A200T und USB 2.0

Blockdiagramm

Blockdiagramm des ZTEX FPGA-Boards mit Artix 7 XC7A200T und USB 2.0

Eigenschaften

  • High-Speed (480 MBit/s) USB-Interface via Mini-USB-Buchse (Typ B)
  • Cypress CY7C68013A EZ-USB FX2 Mikrocontroller
  • Zwei Xilinx Artix 7 Varianten: XC7A200T (stock type) und XC7A100T (auf Anfrage), siehe Varianten
  • Externer-I/O-Verbinder (bestehend aus zwei 2x32-Pin-Buchsenleisten mit 2.54mm-Raster) liefert:
    • 100 mit dem FPGA verbundene General-Purpose-I/O's (GPIO's)
    • JTAG-Signale
    • Reset-Signal
    • Externer Spannungseingang (4,5 V .. 16 V)
    • 3,3V Ausgang
    • I/O-Spannungs-Ausgang oder -Eingang, siehe Externer-I/O-Verbinder
  • 128 MBit on-board Flash Speicher
    • Ermöglicht das Laden des Bitstream vom FPGA (16.5 MByte/s)
    • Zugreifbar vom EZ-USB FX2 und vom FPGA, siehe CPLD-Beschreibung
  • Schnelle FPGA configuration via USB mittels CPLD: bis zu 24MByte/s
  • Memory-Mapped I/O zwischen EZ-USB FX2 und FPGA
  • 128 Kbit EEPROM-Speicher (kann zum Laden der Firmware genutzt werden)
  • 2 Kbit MAC-EEPROM: enthält eindeutige, nicht löschbare MAC-Adresse und wird zum Speichern von Firmware-Einstellungen genutzt
  • On-Board Stromversorgung:
    • 3.3 V: 2000 mA
    • 1.8 V: 1000 mA
    • 1.0 V; 14000 mA
  • Kühlkörper für High-Performance- / Hochgeschwindigkeits-Anwendungen, siehe Abschnitt Kühlkörper
  • Optional:
    • Batterie zum Speichern eines Schlüssels für Bitstream-Verschlüsselung
    • On-board JTAG-Steckverbinder
  • Temperatur-Bereich: 0-70°C

Varianten

Es werden Varianten mit unterschiedlicher Ausstattung angeboten.

Variante FPGA Speedgrade
(größer bedeutet schneller)
Verfügbarkeit
USB-FPGA-Modul 2.16a XC7A100T 2 Auf Anfrage (kein Lagertyp)
USB-FPGA-Modul 2.16b XC7A200T 2 Lagertyp, zum Shop

All Varianten werden von den kostenlosen Vivado- und ISE-Webpack-Versionen unterstützt.

Funktions-Beschreibung

Die folgende Zeichnung zeigt die Maße sowie die Lage der beschriebenen Elemente.

Zeichnung mit Maßen des ZTEX FPGA-Boards mit Artix 7 XC7A200T und USB 2.0
Klicken sie auf das Bild für eine größere Version oder laden Sie die PDF-Version herunter.

Das FPGA-Board hat keine Montage-Löcher da es i.d.R. auf eine Anwendungs-Schaltung gesteckt wird. Ist diese nicht vorhanden, z.B. falls das FPGA-Board als Co-Prozessor-Karte genutzt wird, kann eine der Zusatzkarten als Montage-Adapter verwendet werden.

Gemeinsame Funktionen aller FPGA-Boards der Serie 2

USB-FPGA Module 2.16 sind FPGA-Boards der Serie 2. Funktionen, die alle FPGA-Boards dieser Serie besitzen, sind auf FPGA-Board-Serie 2 beschrieben.

EEPROM-Adresse: JP1

Jumper JP1 legt die I2C-Adresse des EEPROM wie folgt fest:

JP1 I2C-Adresse
offen 0xA2
geschlossen 0xAA

Der EZ-USB FX2 Mikrocontroller sucht die Firmware an der Adresse 0xA2, welches die Standard-Adresse ist (Jumper offen).

Der Hauptzweck des Jumpers ist die Unterdrückung des Bootens der firmware vom EEPROM. Falls z.B. der EEPROM mit einer defekten Firmware programmiert wurde, kann der Mikrocontroller mit der internen Standard-Firmware gestartet werden, falls JP1 während des Einschaltens geschlossen ist.

JP1 hat einen nicht verbundenen Pin der zum Parken des Jumpers genutzt werden kann. Die folgenden Bilder zeigen alle möglichen Jumper-Positionen:

     ZTEX FPGA Board mit Artix 7 XC7A200T: JP1 offen 1 ZTEX FPGA Board mit Artix 7 XC7A200T: JP1 offen 2           ZTEX FPGA-Board mit Artix 7 XC7A200T: JP1 geschlossen     
JP1 offen JP1 geschlossen

FPGA-Status: LED1

LED1 zeigt den Konfigurations-Zustand des FPGA's wie folgt an:

LED1 FPGA
an unkonfiguriert
aus konfiguriert

Externe Stromversorgung CON3

Die externe Stromversorgung kann über CON3 oder die Pins A1 and B1 des externen I/O-Verbinders I/O-Verbinders. CON3 ist eine Standard-Gleichstrombuchse mit 2,1mm Innenstift (+) und 5,5mm Zylinderdurchmesser (-). A1 und B1 des I/O-Verbinders und der Innenstift von CON3 sind direkt verbunden. Dadurch kann eine Basisplatine auch vom FPGA-Board versorgt werden.

Die gültige Versorgungsspannung beträgt 5 V bis 16 V. Ist ein Lüfter mit CON4 verbunden, sollte die Eingangsspannung ca. 12V betragen.

Taktquellen

Auf dem FPGA-Board sind zwei Taktquellen mit den FPGA verbunden: der Taktausgang des EZ-USB FX2, welcher normalerweise auf 48 MHz konfiguriert ist, und der Interface-Takt, welcher auf 30 MHz oder 48 MHz eingestellt werden kann. Aus diesen können mittels MMCM's oder PLL's andere Takte im FPGA generiert werden.

Zusätzliche Taktsignale können an die MRCC and SRCC-Pins des I/O-Steckverbinders angeschlossen werden. (Diese Pins sind als differentielle Paare organisiert, z.B. L12P_T1_MRCC_35 und L12N_T1_MRCC_35. Single-ended Takte müssen an das positive Pin angeschlossen werden z.B. L12P_T1_MRCC_35.)

In den meisten Fällen sind die Onboard-Taktquellen ausreichend.

Konfigurations-Booster-CPLD und Flash-Speicher

Das CPLD ermöglicht die schnelle FPGA-Konfiguration via USB (bis zu 24 MByte/s). Dafür wird ein Ausgangs-Endpoint des EZ-USB FX2 benötigt. Die Firmware ermöglicht es, einen für benutzerdefinierte Kommunikation gedachten Endpoint (wieder-) zu verwenden. Wenn alle Endpoint-Puffer des EZ-USB FX2 für Eingangs-Endpoints benötigt werden, muss die FPGA-Konfiguration in normaler Geschwindigkeit (ca. 1 MByte/s) via Endpoint 0 erfolgen.

Das CPLD kontrolliert auch den Zugriff auf den Flash-Speicher und die Konfiguration-Pins des FPGA's, welche von unterschiedliche Konfigurations-Quellen benötigt werden. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Zugriffs- und Konfigurations-Modi. Die Konfiguration-Modus-Pins CM1:CM0 des CPLD werden vom FX2 gesteuert. Sie besitzen einen internen Pull-Up-Widerstand sodass der Standard-Modus beim Starten des FX2 1:1 ist. M2:M1:M0 sind die Modus-Pins des FPGA welche vom werden vom CPLD gesteuert werden.

CM1:CM0 M2:M1:M0 CCLK gesteuert von: Konfigurations-quelle Zugriff auf Flash-Speicher vom:
1:1 1:0:1 - nur JTAG FX2
1:0 1:1:0 FX2:CTL5 USB (High-Speed-Modus, bis 24 MByte/s) oder JTAG -
0:1 1:1:0 FX2:PC6 USB (Low-Speed-Modus, ca. 1 MByte/s) oder JTAG -
0:0 0:0:1 FPGA Flash (bis to 16.5 MByte/s) oder JTAG FPGA (und FX2 nach erfolgreicher Konfiguration)

Diese Tabelle ist nur eine kurze Zusammenfassung, da alle Konfigurations-Angelegenheiten automatisch von der Firmware und vom werksseitig programmierten CPLD gehandhabt werden. Interessierte Nutzer werden auf den Schaltplan und das CPLD-Datenpaket usb-fpga-2.13-2.16-cpld.zip verwiesen, welches die Quelldateien und die jed-Datei zum Programmieren des CPLD's via JTAG beinhaltet.

Weitere Information über die Verwendung des Flash-Speichers für die FPGA-Konfiguration befinden sich auf der ZTEX Wiki.

Externer I/O-Verbinder

Der externe I/O-Verbinder ist kompatibel zu anderen FPGA-Boards der Serie 2 und deshalb auf FPGA Board Serie 2 beschrieben.

Bei USB-FPGA-Modulen 2.16 sind alle 100 I/O's belegt und haben eine variable I/O-Spannung. Die I/O-Spannung ist VCCO_AB für die Reihen A und B und VCCO_CD für die Reihen C und D. Werksseitig sind VCCO_AB und VCCO_CD über die 0Ω Widerstände R8 bzw. R9 mit 3.3V verbunden. Somit sind diese Pins 3.3V Ausgänge. (Das ist das Standard-Verhalten aller FPGA-Boards der Serie 2). Wird eine andere I/O-Spannung benötigt, können R8 und/oder R9 ausgelötet werden und VCCO_AB bzw. VCCO_CD als Spannungs-Eingang verwendet werden.

Kühlkörper, CON4

Für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen wird ein Kühlkörper benötigt. Auf USB-FPGA-Modulen 2.16 können Standard-Kühlkörper mit zwei Pushpins mit einem Abstand von 59mm installiert werden.

CON4 ist ein Standard-Lüfteranschluss mit 3 Pins für aktive Kühler. Bei Benutzung sollte die Eingangsspannung zwischen 9V und 13V liegen.

USB-FPGA-Module 2.16 werden mit einem Kühlerkit geliefert welches aus folgenden Teilen besteht:

  • 1 Passiver Kühlkörper, Höhe: 14mm
  • 1 Aktiver Kühler, Höhe mit Lüfter: 24mm
  • 2 Wärmeleitpads mit niedrigem Wärmewiderstand
Um Transportschaden zu vermeiden, werden die Kühlkörper werksseitig nicht installiert. Bei der Installation muss entweder Wärmeleitpaste oder das mitgelieferte Wärmeleitpad verwendet werden.

JTAG

Das FPGA kann entweder über USB oder über JTAG konfiguriert werden. Die JTAG-Signale stehen auf dem externen I/O-Steckverbinder zur Verfügung, JTAG Steckverbinder auf den meisten Zusatzkarten. Optional kann auch eine 14 Pin-Steckverbinder an der Seite (CON5) installiert werden. (Werksseitig wird dieser aus Platzgründen weggelassen.) Der passende Steckverbinder ist im Shop erhältlich.

Das JTAG-Interface kann auch zum Neu-Programmieren des CPLD genutzt werden.

Batterie-Option

Falls Bitstream-Verschlüsselung benötigt wird, kann eine standardisierte 3V Lithium-Batterie mit einem Rastermaß von 10×3mm installiert werden. Desweiteren müssen zwei 0805 SMD-Widerstände eingelötet werden, R17: 5,6 MΩ und R18: 3,3 MΩ. Unter Berücksichtigung der Selbstentladung sollte die Lebensdauer der Batterie mindestens 10 Jahre betragen.

Um Schaden zu vermeiden muss R17 vor dem Einlöten der Batterie installiert werden.

Mit der Batterie kann das FPGA einen Schlüssel für die Bitstream-Entschlüsselung in speziellen Speicher halten. Dieser Schlüssel mus mittels JTAG geladen werden.

Das Bild auf der Seite zeigt ein USB-FPGA-Modul 2.16 mit installierter Batterie, R17 und R18 und JTAG-Steckverbinder CON5. FPGA-Boards mit werksseitig installierten Batterie-Komponenten und/oder JTAG ist auf Anfrage erhältlich.

Eine Anleitung zur Bitstream-Verschlüsselung befindet sich auf der Wiki.

ZTEX FPGA-Board mit Spartan 7 XC7A200T: JTAG und Batterie für Bitstream-Verschlüsselung installiert

Bilder

Klicken Sie auf die Bilder für eine größere Version.

Oberseite des ZTEX FPGA-Boards mit Artix 7 XC7A200T und USB 2.0

Oberseite USB-FPGA-Moduls 2.16b mit des Artix 7 XC7A200T.

Unterseite des ZTEX FPGA-Boards mit Artix 7 XC7A200T und USB 2.0

Unterseite USB-FPGA-Moduls mit des Artix 7 XC7A200T.

ZTEX FPGA-Board mit Artix 7 XC7A200T mit Kühlkörper

ZTEX FPGA-Board mit Artix 7 XC7A200T mit aktiven Kühler

USB-FPGA-Modul 2.16 mit passivem (oben) und aktivem (unten) Kühler. Beide Kühlkörper gehören zum Lieferumfang des FPGA-Boards.


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