明德扬 Kintex-7 FPGA核心板及多接口扩展底板介绍
介绍明德扬基于 Xilinx Kintex-7 FPGA 研发的 CO5650-K7-325 核心板及多接口扩展底板。
1.引言
随着图像处理、高速采集、工业控制和数据传输类应用不断增加，FPGA核心板在项目开发中的作用越来越重要。它不仅提供可编程逻辑资源，还能通过高速收发器、DDR存储、PCIe接口和大量IO扩展，帮助用户快速完成底板设计和系统集成。
下面给大家介绍一款明德扬基于 Xilinx Kintex-7 FPGA 研发的 CO5650-K7-325 核心板。
CO5650-K7-325核心板采用Xilinx公司Kintex-7系列的XC7K325T- 2FFG900I/XC7K410T- 2FFG 900I作为主控制器，核心板采用4个0.5mm间距120Pin 镀金连接器与母板连接，连接器使用松下的AXK5A2137YG，对应底板的连接器型号为AXK6A2337YG。核心板四个脚放置了4个3.5mm固定孔，此孔可以与底板通过螺丝紧固，确保了在强烈震动的环境下稳定运行。
这款CO5650-K7-325核心板能够方便用户对核心板的二次开发利用。在FPGA 芯片的HP 端口上挂载了4片DDR3存储芯片，每片DDR3 容量高达512M 字节，每片16bit组成64bit位的数据位宽。
整个开发系统的结构示意图如下图1-1-1所示：
图1-1-1 开发系统的结构示意图
通过以上示意图，我们可以看到，我们这个核心板开发平台所能含有的接口和功能。
这款核心板的4个板对板连接器扩展出了356个IO，其中BANK12、BANK13、BANK15、BANK16、BANK17、BANK18的全部IO的电平可以通过更换核心板上的磁珠来修改，满足用户对+3.3V、+2.5V、+1.5V电平接口的需求；另外核心板也扩展出了16对高速收发器GTX接口。对于需要大量IO的用户，此核心板将是不错的选择。而且IO连接部分，同一个BANK管脚到连接器接口之间走线做了等长和差分处理，对于二次开发来说，非常适合。
产品规格
CO5650-K7-325核心板规格 | |
FPGA主控制器 | XC7K325T-2FFG900I / XC7K410T-2FFG900I |
DDR3 | 16GB |
QSPI Flash | 128MB |
启动方式 | JTAG / QSPI Flash |
用户RESET | 高电平复位 |
IO数量 | 276个（全部BANK电平1.8 / 2.5 / 3.3V可调） |
GTX接口数量 | 4个BANK、TX / RX各16对 |
工作电压 / 最大电流 | 5~12V / 3A |
核心板尺寸、工艺 | 85 * 65mm、沉金工艺 |
与底板扣接高度 | 3mm |
工作温度 | -40°C~+85°C |
表1-2-1 CO5650-K7-325核心板规格
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图1-3-1 CO5650-K7-325核心板正面照 | 图1-3-2 CO5650-K7-325核心板背面照 |
核心板结构尺寸图：65(mm)*85(mm)， PCB：14 层。
图1-4-1 CO5650-K7-325核心板尺寸图
核心板使用的是Xilinx公司的Kintex-7 FPGA芯片，芯片型号可选C7K410T-2FFG900I和XC7K325T-2FFG900I，二者除片上资源不同外，管脚完全兼容。速度等级为2，温度等级为工业级。此型号为FFG900封装，900个引脚，引脚间距为1.0mm。Xilinx Kintex-7 FPGA的芯片命名规则如下图2-1-1所示：
图2-1-1 Kintex-7 FPGA命名规则图
Kintex-7 FPGA芯片实物如下图2-1-2所示：
图2-1-2 Kintex-7 FPGA芯片实物图
部分芯片参数如下表2-1-1所示
名称 | 325T详细参数 | 410T详细参数 |
管脚(I/O) | 900 | 900 |
逻辑单元（Logic Cells） | 326080 | 406720 |
输入/输出缓冲器(IOBs) | 500 | 500 |
查找表(LUT Elements) | 203800 | 254200 |
触发器(Flip-Flops) | 407600 | 508400 |
36Kb Block RAMs | 445 | 795 |
DSP单元(DSP Slices) | 840 | 1540 |
高速收发器(GTX Transceivers) | 16个,12.5Gb/s Max | 16个,12.5Gb/s Max |
PCIe | x8 Gen2 | x8 Gen2 |
时钟管理单元(MMCMs) | 10 | 10 |
XADC | 1个,12bit, 1Mbps | 1个,12bit, 1Mbps |
速度等级(Speed Grade) | -2 (Mid) | -2 (Mid) |
温度等级(Temperature Grade) | I (工业级) | I (工业级) |
表2-1-1 Kintex-7 XC7K325T / XC7K410T的部分参数表
三、DDR3 SDRAMCO5650-K7-325开发板上配有四片Alliance Memory 的256MB的DDR3芯片,型号为AS4C256M16D3B-12BCN (兼容MT41J256M16XX-125)。每片DDR3 SDRAM数据位宽为16bit，共组成64bit的数据总线宽度。因为4片DDR3芯片连接到FPGA的HP口，DDR3 SDRAM的最高运行速度可达800MHz(数据速率1600Mbps)，四片DDR3存储系统直接连接到了FPGA的BANK32, BANK33，BANK34的接口上。DDR3的具体配置如下表3-1-1所示。
位号 | 芯片型号 | 容量 | 厂家 |
U6, U7, U9, U10 | AS4C256M16D3B-12BCN | 256M 6bit | Alliance |
表3-1-1 DDR3配置
核心板的DDR3的接口的设计示意图如下图3-1-1所示：
图3-1-1 核心板的DDR3的接口的设计示意图
核心板采用高速布线，DDR3 的硬件设计需要严格考虑信号完整性，开发板的电路及PCB 设计已经充分考虑了匹配电阻/终端电阻，走线阻抗控制，走线等长控制，以确保DDR3 稳定工作。核心板的4片DDR3实物如下图3-1-2所示：
图3-1-2 核心板的DDR3实物示意图
四、FPGA BANK接口电平选择核心板上对外的BANK分别为BANK12/13/15/16/17/18,这些BANK的IO均支持1.8V/2.5V/3.3V三种电平可调，默认电平为2.5V。如果需要更换电平，只需要更换对应位置磁珠即可实现调整,核心板BANK电平调节磁珠位置，如下表4-1-1所示。
FPGA BANK | +2.5V | +3.3V | +1.8V |
BANK 12 | L6 | L7 | L8 |
BANK 13 | L3 | L4 | L5 |
BANK 15 | L9 | L10 | L11 |
BANK 16 | L15 | L16 | L17 |
BANK 17 | L12 | L13 | L14 |
BANK 18 | L18 | L19 | L20 |
表4-1-1 BANK电平调节磁珠位号
五、QSPI Flash开发板配有一片128Mbit大小的Quad-SPI Flash芯片，型号为N25Q128，它使用3.3V CMOS电压标准。由于QSPI Flash的非易失特性，在使用中，它可以存储FPGA的配置bin文件以及其它的用户数据文件。
参数详见下表5-1-1：
Part Number | Org | Temperature | MaxClock (MHz) | Package |
N25Q128 | 128Mbit | -40℃to +85℃ | 108 | TBGA24 |
表5-1-1 QSPI Flash部分参数
开发板的QSPI的设计示意图如下图5-1-1所示：
图5-1-1 开发板的QSPI的设计示意图
核心板的QSPI Flash实物如下图5-1-2所示：
图5-1-2 核心板的QSPI Flash实物图
六、核心板时钟CO5650-K7-325核心板为了准确适配不同用途的时钟频率，板载多个时钟源。其中包括200MHz的系统差分时钟源SIT9121AI-2D1-33E200差分晶振，还包括125MHz的GTX差分时钟源差分SIT9121AI-2D1-33E125晶振。SIT9121AI-2D1-33E125是一款高精度、超低相噪的晶振，非常适合作为高速信号处理系统的时钟源最后，为了缩短大容量FPGA芯片的下载配置时间，板卡还配有66MHz的EMCCLK，用户可以配置使用该时钟，配合QSPI×4模式,从而大大提高FPGA的配置效率。
板上提供了一个差分200MHz 的FPGA 系统时钟源，晶振输出连接到FPGA BANK33 的全局时钟，这个全局时钟可以用来驱动FPGA 内的DDR3 控制器和用户逻辑电路。
该时钟源的原理图如下图6-1-1所示。
图6-1-1 时钟源的原理图
系统时钟引脚分配如下表6-1-1所示：
信号名称 | FPGA 管脚位号 |
SYS_CLK_P | AE10 |
SYS_CLK_N | AF10 |
表6-1-1 系统时钟引脚分配
核心板上为GTX收发器提供了125MHz的参考时钟。参考时钟连接到BANK116。
该时钟源的原理图如下图6-2-2所示。
图6-2-2 GTX时钟源原理图
GTX BANK116时钟源FPGA引脚配置如下表6-2-2所示：
信号名称 | FPGA管脚位号 |
BANK116_CLK1_P | N8 |
BANK116_CLK1_N | N7 |
表6-2-2 GTX时钟源引脚分配
核心板上为EMCCLK提供了66MHz的参考时钟。参考时钟连接到EMCCLK。
该时钟源的原理图如下图6-3-3所示。
图6-3-3 EMCCLK时钟源的原理图
EMCCLK时钟源FPGA引脚配置如下表6-3-3所示：
信号名称 | FPGA 管脚位号 |
FPGA_EMCCLK | K24 |
表6-3-3 EMCCLK时钟源引脚分配
CO5650-K7-325核心板板载了一个6PIN的贴片JTAG下载调试接口，方便用户单独调试FPGA。
核心板的JTAG接口连接示意如下图6-4-1所示：
图6-4-1 核心板的JTAG接口连接示意图
七、系统复位CO5650-K7-325核心板支持上电复位，复位整个芯片，同时配合按键也为系统提供全局复位信号。
信号连接示意如下图7-1-1所示，通过PROGRAM_B管脚实现低电平复位。
图7-1-1 信号连接示意图
通过按键U4实现全局复位，高电平复位。该管脚接在了BANK 33的AH11管脚上。如下图7-1-2所示：
图7-1-2 按键复位原理图
八、LED灯核心板上有6个红色LED灯，其中1个是配置LED灯(DONE)，当FPGA 配置程序后，配置LED灯会亮起。1个是电源指示灯(POWER LED)，上电成功电源指示灯会亮起。另外还有4个信号指示灯，与FPGA IO管脚直接相连，高电平灯亮。LED灯硬件连接的示意图如下图8-1-1、图8-1-2所示。
图8-1-1 LED灯硬件连接的示意图（1）
图8-1-2 LED灯硬件连接的示意图（2）
九、核心板电源核心板集成电源管理，+5~+12V电源输入通过TI 电源芯片LTM4628 产生两路 1.0V 的电源，其中一路为FPGA的核心提供稳定的电源，另一路为GTX的MGTAVCC提供稳定的电源，LTM4628输出电流高达8A，满足FPGA电流需求。+5—+12V电源输入通过TI 电源芯片LTM4622分别产生+1.5V、+1.8V、+2.5V、+3.3V电压，单片LTM4622有两路电源输出，所以需要2片LTM4622。LTM4622为Vccaux、Vccio、DRR3、晶振、Flash等供电。+1.5V电压经过TPS74401RGWT转换为1.2V直流，为MGTAVTT提供1.2V的电压。+3.3V 电压经过SPX3819M5-1-8转换为1.8V直流，为MGTVCCAUX提供1.8V的电压。
官方时序要求如下图9-1-1所示：
图9-1-1 官方时序要求
电源分配如下表9-1-1所示：
电源 | 供电区域 |
+1.0V | FPGA INT内核电压、MGTAVCC |
ADJ_VCCIO | 默认2.5V(1.8V-3.3V 可调) |
+1.8V | MGTVCCAUX、VCCAUX |
+1.2V | MGTAVTT |
+1.5V | BANK32,33,34、DDR3 |
+3.3V | BANK0、BANK14、其他板上芯片 |
DDR_VTT | 0.75V |
表9-1-1 核心板供电架构
十、EEPROMM24C02-WMN6TP是基于I2C总线的EEPROM存储器件，遵循二线制协议，它具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点。EEPROM硬件连接的示意图如下图10-1-1所示。
图10-1-1 EEPROM硬件连接的示意图
EEPROM与FPGA引脚配置如下表10-1-1所示
信号名称 | FPGA 管脚位号 |
IIC_SCL | T25 |
IIC_SDA | U25 |
表10-1-1 EEPROM硬件管脚配置
十一、核心板启动方式核心板支持两种启动模式，分别是JTAG、QSPI Flash。默认为QSPI Flash启动。
十二、连接器管脚定义核心板一共扩展出4个高速扩展口，使用4个120Pin的板间连接器（J1~J4）和底板连接，连接器使用松下的AXK5A2137YG，对应底板的连接器型号为AXK6A2337YG。其中J1连接JTAG和BANK17,BANK18的IO, J2连接BANK15，BANK16的IO，J3连接BANK12和BANK13的IO和+5V电源，J4连接GTX的收发器信号。
十三、适配底板目前这款 CO5650-K7-325 核心板，我们已经适配了多款扩展底板，覆盖 PCIe、SFP光纤、HDMI、DP、SATA、千兆网、TF卡、FMC、40针扩展口、SMA、JTAG 等常用接口，如下图供大家选型使用：
1.CP9150-05-2NET-4SATA
2.CP9150-08-FMC-Hdmi2Pcie
3.CP8050-01-K7-325
4.CP9150-03-3DP-2HDMI
5.CP9150-00-2SFP
不同底板面向不同研发场景，比如 高速数据传输、图像显示输出、光纤通信、PCIe采集传输、SATA存储、网络通信、工业控制和接口扩展验证。
以上成品板如果接口数量、接口类型或结构尺寸与您当前需求不匹配，可根据需求定制开发。