Digilent Nexys3 FPGA开发板评测（一）

FPGA即现场可编程门阵列，属于可编程逻辑器件的一种。随着工艺的进步和EDA设计工具的不断发展，FPGA已经成为实现数字系统的主流平台之一。FPGA的集成度越来越高，功耗和成本却在降低，所以其应用领域也越来越广。对于硬件工程师来说，器件的选型和资源评估变得更重要。

当我们要选择FPGA开发板的时候，首先要问的问题是我们能得到什么以及我们准备用它来做什么对于初学者来说FPGA是令人生畏的，不过如果有一个好的开发板能达到事半功倍的效果，会发现入门并不困难。接下来我们来看看Digilent公司推出的Nexys3开发板。

Nexys3是基于Xilinx公司新一代的Spartan6系列FPGA的数字开发平台。Spartan6采用可靠的低功耗45nm9层金属布线双层氧化工艺技术，实现了低风险、低成本、低功耗以及高性能的完美平衡，最大密度能达到15万个逻辑单元。Spartan6系列内置了丰富的系统级模块包括第二代DSP48A1Slices、SDRAM控制器、增强型混合时钟管理模块、SelectIOTM技术、功率优化的高速串行收发器、PCIExpress兼容端点模块等等，这些优异特性为替代定制ASIC产品提供了低成本的易行的可编程方案。Spartan6系列的高性价比特别适合于以消费类为导向的DSP设计以及对成本敏感的嵌入式应用，如在汽车娱乐电子，液晶显示和视频监视解析等方面。

Digilent公司是一家在FPGA、微处理技术领域具备顶尖设计、制造水平的公司。产品遍布全球70多个国家、2000多所大学。此次推出的Nexys3开发板是一款Spartan6系列FPGA的入门级开发平台，我们来看看还能从它上面得到什么

主芯片XilinxSpartan6XC6LX16-CSG324

16M字节Micron公司的CellularRAM

16M字节Micron公司的并行PCM

16M字节Micron公司的Quad-modeSPI串行PCM

10/100Ethernet

USB-UART

A型USB接口，可以接鼠标、键盘和记忆棒

8位RGB信号VGA接口

100MHz晶振

4个2×6引脚PmodTM低速连接器

1个68引脚VHDCI高速扩展连接器

8个拨码开关,4个按钮

4个7段数码管,8个LED

1个USB接口提供电源、程序烧录和数据传输

详细介绍

1.拿到Nexys3的套件只有一块PCB板和一根USBmicro下载线。第一次接触心里会有疑问，这也太简单了，这样就能工作了。

Nexys3的供电、编程和数据传输能通过一个USB接口完成。USB接口能提供500mA电流，能够提供Nexys3大部分的应用需求，如果连接器连接太多外设，也可以通过电源插口(J10)外部直流供电。

Nexys3的手册等资料可以在Digilent官网免费下载，值得一提的是Digilent提供了Nexys3的全套电路图，对于想了解和着手Spartan6系列FPGA芯片的电路设计是一个非常好的参考。

2.主芯片XilinxSpartan6XC6LX16CSG324

Spartan6主要分两种系列LX和LXT。其中LX系列没有内嵌PCI-Express兼容端点模块和高速串行收发器模块。XC6LX16CSG324有将近15000个逻辑单元，采用了点距更小的ChipScale封装，能提供多达232个可使用I/O。

XC6LX16CSG324位于PCB的中心，所有的外围电路都是围绕它，由于管脚密集，芯片周围必须留出足够的空间用于布线。从PCB可以看到配置很多滤波电容，整个布局对称美观。

XC6LX16CSG324的I/O资源分为4个Bank，可以接不同的供电电压，所以设计时要综合考虑管脚的设置和PCB的布局，使得PCB走线距离尽量短和整齐。

3.FPGA配置电路

FPGA是基于SRAM工艺的，断电后将会丢失内部逻辑，所以芯片每次上电必须从外部重新配置FPGA。

可以通过USBPROG口(J3)在线配置FPGA，也可以通过JTAG口(J7)进行配置。

可以选择通过非易失性存储器中的文件在上电时自动配置FPGA。Nexys3有3种模式由跳线(J8)选择BPI、SPI和JTAG启动模式。

BPI启动模式通过非易失性并行PCM配置FPGA，SPI启动模式通过非易失性串行PCM配置FPGA，JTAG启动模式通过USBHIDHOST(J4)连接的闪存配置FPGA。

4.存储模块

Nexys3上一共有3种存储器16MB的CellularRam(MicronM45W8MW16)，16MB的并行PCM(MicronNP8P128A13T1760E)，16MB的串行PCM(MicronNP5Q128A13ESFC0E)。

CellularRam是一种结合了SRAM和DRAM优点的存储器件，具有低功耗和高速读写数据的优点，可以配置成同步模式或者异步模式。同步模式时读写周期达到70ns，异步模式时总线速率80MHz。

非易失性相变存储器PCM是一种结合了Flash、EEPROM和RAM的优点的存储器件。能进行位读写，不需要块擦出操作，反复读写次数更多，数据保存时间更长。

CellularRam和并行PCM是共用数据和地址总线，从Nexys3我们也可以看到者两者布局是放在一起的。

串行PCM支持Quad-mode，Dual-mode和标准的SPI总线传输协议。

5.电源

Nexys3采用了Linear公司的DC-DC芯片(LTC3633和LTC3619)，产生3.3V、2.5V、1.8V以及1.2V四路电压，最大能承受15V输入电压。

供电方式有3种USB、外部电源和锂电池，通过跳线(JP1)选择。

跳线J11可以接外部锂电池供电，注意锂电池和外部电源输入是并联起来，所以不能同时接外部电源和锂电池。

6.时钟

Nexys3有一个100MCMOS晶体振荡器。FPGA的时钟输入一定要分配在全局时钟引脚。

XC6LX16CSG324内置了2个时钟管理逻辑片，每个逻辑片包含2个数字时钟管理模块和4个PLL模块，可以灵活产生各种需要的时钟信号。

7.USBPROG接口

Nexys3上有一个MicroUSB接口(J3)，编程、传输数据和供电都可以通过这一个接口完成。

在PCB背面有一个USB控制芯片，采用的是Cypress公司的高速USB控制器CY7C68013a。该芯片内嵌了8051内核，能支持USB2.0协议。

8.USBA型接口

Nexys3上有一个标准USBA型接口(J4)，它用作USBHIDHost接口用来接鼠标、键盘或者闪存。该接口还不支持Hub功能，只能接一个鼠标或者一个键盘。

在PCB背面可以看到Nexys3使用了Microchip公司的单片机芯片PIC24FJ192，使它完成作为USBHIDHOST的功能。

9.USB-UART接口(串口)

Nexys3上还有一个MicroUSB接口(J13)，可以用来与PC机进行串口通信。

USB转接芯片选用了FTDI公司的FT232R，这是一款专门用于USB-UART的单芯片。

10.基本I/O

Nexys3上包括了8个开关，表示开关状态的8个LED灯。一个4位7段数码显示管，5个按钮可以控制数码管的显示和熄灭。

11.以太网口

Nexys3选用了SMSC的以太网物理层收发器芯片LAN8710A，Xilinx的设计工具中提供了以太网MAC控制IP。LAN8710A使用了MII接口并且支持10/100Mb/s。

PCB上还提供了一个RJ45插座。

上电时LAN8710A的默认状态为MII模式接口，100Base-TX，PHY地址为000。

12.VGA接口

Xilinx的设计工具提供了VGA控制器的IP，在FPGA中可以完成VGA信号的产生，外围电路简单，只需要一些分压电阻与VGA设备的终端电阻可以产生所需的信号。

输出的VGA信号包括8位RGB颜色信号和2位同步信号，能产生256色的视频图像。

13.Pmod连接器

Nexys3上有4个Pmod连接器。都是2×6直角100mil插座。每个插座包括2个电源信号，2个低信号和8个I/O信号。

Pmod连接器主要连接一些低速的和引脚不多的外部模块，需要注意PCB板上到Pmod连接器的信号走线并没有考虑阻抗和信号匹配的问题。

Digilent提供各种各样的Pmod外围模块，设计者可以根据需要灵活的选用，大大提高了扩展性能。

14.VHDCI连接器

Nexys3上提供一个68脚VHDCI插座。支持SCSI-3总线传输协议，信号传输速率能达到几百兆。

VHDCI包括40个数据信号，8个电源信号和20个地信号。数据信号组成20个阻抗控制信号对。由于是高速的差分信号布线时需要注意尽量平行，长度相等。

FPGA所有与VHDCI信号连接的管脚都处于I/Obank0。跳线(JP8)能选择I/Obank0的供电为3.3V或者2.5V。

15.软件工具

Digilent提供了一个独特强大的调试工具Adept。可以配置Xilinx逻辑器件，初始化扫描链，对FPGA，PROM进行编程，同时还具有开发板的自检校验功能和I/O扩展功能。可以在Digilent官网免费下载

Nexys3完全兼容所有的赛灵思工具，包括免费的WebPackTM，ChipscopeTM，EDKTM(嵌入式处理器设计套件)，以及其他工具。

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