Nexys3学习手记3：硬件外设走马观花
拿到一块新的电路板，通常我们会很迫不及待先跑个测试demo看看效果，但请相信这是“菜鸟”的特征。咱们已经不再年轻了，也没有必要再“鲁莽”的折腾板子了。回归理性，那么我建议大家不妨先看看原理图，再对照电路板实物，把整个电路简单的消化一下，并且弄清楚板载跳线、电源插座等的具体用法和注意事项，免得上演“高压冒烟”的惨剧。
nexys3的原理图可从digilent公司的官方网站获得（下载地址：）。对于原理图，通常需要大家有一定的硬件功力才能够轻松看个大概。当然了，一般开发板会配套较详细的电路说明（本开发板说明可参考），建议大家不妨先看看，然后再来消化原理图。
nexys3_rm.pdf（即reference manual）中示意了nexys3电路板的整体硬件架构，如图1所示。围绕主芯片spartan-6的xc6slx16器件，有着较丰富的板载外设，如cellular ram、并行的pcm非易失存储器、spi接口pcm非易失存储器、10/100以太网物理层接口、8位vga接口、usb hid主机、usb-uart桥芯片和一些基本的io外设（指示灯、按键、开关等），此外还有fpga的usb下载配置电路、100mhz工作时钟以及其他扩展接口插座。
图1 nexys3整体电路框图
nexys3的原理图一共10页，我们逐个解读。
page1里的j1是一个高速的vhdci插座接口，如图2所示。由原理图的示意和信号命名不难推断出这里从fpga直接引出的信号应该都是高速串行差分对。此外，我们需要注意到jp4可以用于短接j1引进的电源vuexp和板载电源vu5v0，换句话说，若使用j1引入的5v电源供电，可以短接jp4。
图2 高速vhdci接口
page1的另一部分电路如图3所示，这里引出了4组8bit信号的pmod插座，每个数据信号都通过200欧姆的匹配电阻，并且有接地的保护二极管。对于一般的扩展，这4组数据线以及相应的电源和地基本是绰绰有余了。
图3 四组pmod接口
page2里，基本是一些简单的常用接口电路。图4是4路独立的按键电路，按键未按下时等效于fpga的io脚接20k电阻下拉到地；按键按下时则等效于上拉10k到电压vccb0。图5是8路独立的拨码开关电路，fpga的io脚通过10k电阻接gnd或电压vcc3v3。图6是4位段式数码管电路，公共端为共阳极，通过io脚连接三极管控制开关。图7是8位色彩的vga接口电路，io脚输出电压通过电阻分压得到最多256种色彩组合。图8是共地的8位指示灯电路。
图4 按键电路
图5 拨码开关电路
图6 数码管电路
图7 vga接口
图8 指示灯电路
page3里主要是高速usb微控制器芯片cy7c68013a的电路，该芯片在原理图中分为5个part。其中图9为cy7c68013a与fpga之间的接口信号；图10包括了晶振输入、各个控制信号以及usb端口的信号；图11则是电源以及部分去耦电容的电路。 图12是5pin的mini-b型usb接口插座连接电路。图13是一片与cy7c68013a连接的eeprom芯片的电路，该存储器件可作为cy7c68013a片内的8051单片机的rom。
图9 cy7c68013a电路1
图10 cy7c68013a电路2
图11 cy7c68013a电路3
图12 mini-b型usb插座电路
图13 eeprom芯片电路
page4中有一款16bit的mcu，pic24有着较丰富的外设，包括图14中的usb接口，可以作为当下主流的usb鼠标、键盘的主机控制。pic24部分信号管脚是和fpga连接的，使用了8mhz的外部晶体。
图14 pic接口电路1
如图15所示，j6/j12可以引出pic24的模拟管脚，可见pic24集成了ad/da的外设功能。图15也示意了pic24的电源以及相应的去耦电路。
图15 pic接口电路2
如图16所示，fpga还连接了一片rs232-usb桥芯片ft232。该芯片提供一组标准的rs232接口（j14也把这些接口都额外引出可供扩展）与fpga连接，另一端可以可以作为usb协议接口通信。
图16 ft232电路
page5如图17所示，主要是fpga的配置电路，包括fpga的配置部分原理图part（ic8a）、两片（实际pcb上做成了双勒，也可以单片）存储prom芯片（ic6/ic7）、下载配置插座（j7）。还有一个两位的跳线插座j8，原理图中也示意了相应的不同跳线方式可以实现bpi、spi和slave serial等配置方式。
图17 fpga配置电路
page6主要是fpga的io管脚信号的定义和fpga外部输入的100mhz时钟晶振电路，如图18所示。
图18 fpga io管脚定义
page7是fpga的电源电路，如图19所示，基本上每个vcc管脚都有相应的高低搭配的去耦电容。需要注意的是跳线帽jp8可选2.5v或3.3v给vcco_0供电，这个bank的io电源为某些特殊电平的应用做了预留。
图19 fpga电源电路
page8中，两片当下炒得很时髦的micron的pcm存储器。如图19所示，为一片cellularram芯片，这类ram不用于以往的ram，结合了ram和dram的优点，既可以高速访问又可以方便快速的随意寻址。如图20所示，为一片并行的pcm flash芯片。
图20 存储器接口1
图21 存储器接口2
page9，如图22所示，是以太网电路，包括一片以太网的transceiver芯片lan8710和相应的水晶头插座。
图22 以太网电路
page10是系统的整个电源电压产生电路。使用了两片linear的dc/dc芯片，如图23和图24所示。整个系统芯片间的接口基本是3.3v电压，fpga的核压1.2v，pcm flash用到了1.8v，2.5v主要是预留电平。电源的引入也使用了两种方式，可通过跳线帽jp1切换，即常用jack插座或者usb供电。
图23 电源电路1
图24 电源电路2
在reference manual中，有如图25所示的电源供电示意图。
图25 电源供电示意图
整个原理图消化下来，可能会遇到一些未曾谋面过的芯片，不要紧，把这些芯片整理好，到他们的官网download datasheet大体浏览一遍就有底了，到具体应用的时候再仔细消化一下。nexys3所涉及的主要芯片如列表1所示。表1 nexys3主要芯片列表芯片类型网址cy7c68013a-56usb(mcu)#pbfpower#pbfpower
剖析电路板
原理图看多了，免不了审美疲劳啊。下面就轻松一下，特权同学就不多废话，对照着前面的原理图，如图26和图27所示，把主要芯片以及接插件等元器件逐一点出。
图26 电路板正面示意
图27 电路板背面示意转载自：特权同学的博客
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nexys3_rm.pdf（即reference manual）中示意了nexys3电路板的整体硬件架构，如图1所示。围绕主芯片spartan-6的xc6slx16器件，有着较丰富的板载外设，如cellular ram、并行的pcm非易失存储器、spi接口pcm非易失存储器、10/100以太网物理层接口、8位vga接口、usb hid主机、usb-uart桥芯片和一些基本的io外设（指示灯、按键、开关等），此外还有fpga的usb下载配置电路、100mhz工作时钟以及其他扩展接口插座。
图1 nexys3整体电路框图
nexys3的原理图一共10页，我们逐个解读。
page1里的j1是一个高速的vhdci插座接口，如图2所示。由原理图的示意和信号命名不难推断出这里从fpga直接引出的信号应该都是高速串行差分对。此外，我们需要注意到jp4可以用于短接j1引进的电源vuexp和板载电源vu5v0，换句话说，若使用j1引入的5v电源供电，可以短接jp4。
图2 高速vhdci接口
page1的另一部分电路如图3所示，这里引出了4组8bit信号的pmod插座，每个数据信号都通过200欧姆的匹配电阻，并且有接地的保护二极管。对于一般的扩展，这4组数据线以及相应的电源和地基本是绰绰有余了。
图3 四组pmod接口
page2里，基本是一些简单的常用接口电路。图4是4路独立的按键电路，按键未按下时等效于fpga的io脚接20k电阻下拉到地；按键按下时则等效于上拉10k到电压vccb0。图5是8路独立的拨码开关电路，fpga的io脚通过10k电阻接gnd或电压vcc3v3。图6是4位段式数码管电路，公共端为共阳极，通过io脚连接三极管控制开关。图7是8位色彩的vga接口电路，io脚输出电压通过电阻分压得到最多256种色彩组合。图8是共地的8位指示灯电路。
图4 按键电路
图5 拨码开关电路
图6 数码管电路
图7 vga接口
图8 指示灯电路
page3里主要是高速usb微控制器芯片cy7c68013a的电路，该芯片在原理图中分为5个part。其中图9为cy7c68013a与fpga之间的接口信号；图10包括了晶振输入、各个控制信号以及usb端口的信号；图11则是电源以及部分去耦电容的电路。 图12是5pin的mini-b型usb接口插座连接电路。图13是一片与cy7c68013a连接的eeprom芯片的电路，该存储器件可作为cy7c68013a片内的8051单片机的rom。
图9 cy7c68013a电路1
图10 cy7c68013a电路2
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图13 eeprom芯片电路
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图14 pic接口电路1
如图15所示，j6/j12可以引出pic24的模拟管脚，可见pic24集成了ad/da的外设功能。图15也示意了pic24的电源以及相应的去耦电路。
图15 pic接口电路2
如图16所示，fpga还连接了一片rs232-usb桥芯片ft232。该芯片提供一组标准的rs232接口（j14也把这些接口都额外引出可供扩展）与fpga连接，另一端可以可以作为usb协议接口通信。
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图26 电路板正面示意
图27 电路板背面示意转载自：特权同学的博客
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