用Spartan-3A DSP入门套件开发应用原型
2008-04-18 10:39:41
来源：大比特资讯
点击：1272
1. 前言
您是否曾经对下一个杀手锏 FPGA 应用有所高见，但却苦于找不到恰当的原型开发硬件来印证您的构想？有此苦衷的不只您一个。找到完美的开发平台并非易事。电路板设计常常较注重功能展示而不大注重开发，留给设计人员灵活发挥的余地很小，可使用的 FPGA I/O 引脚有限。
Xilinx 最近推出了 Xilinx® SpartanTM-3A DSP FPGA 系列，以此创造出一种独特的、面向原型设计的低成本入门套件，便于进行应用开发。通过电路板上的 EXP 扩展接口，可以针对应用添加子板，以便为满足原型需求自定制电路板的功能集。
本文将评述 EXP 标准，介绍它为甚么是 FPGA 友好型，为甚么能够满足最迫切的扩展需求。着眼于目前已有的几种 EXP 模块，了解如何用它们轻而易举地围绕 Spartan-3A DSP 创建视频、嵌入式和通讯处理应用。将了解到 EXP规范、Spartan-3A DSP 入门套件和 EXP 附加模块如何结合起来，既快捷又划算地为您提供得力的原型系统。
2. EXP 扩展标准
新型的 Spartan-3A DSP 入门套件（www.xilinx.com/cn/s3adspstarter）包括图 1 所示标准功能集。并行 Flash 存储器和 SPI 存储器专用于配置，而 DDR2 存储器则可用于高性能海量存储。其中的千兆位以太网 PHY 和串行端口支持标准的通讯链接，而时钟、开关、LED 和部分通用用户 I/O 则用来完善电路板接口。剩下的 168 个FPGA 用户 I/O 引脚连接到两个连接器。这两个连接器的配置符合针对 FPGA 开发板制定的 EXP 扩展插槽标准。
大多数行业标准总线（ 如 P C I 、PMC、PCMCIA 或 PC-104）都是采纳地址加数据的总线结构，这种结构很适合基于处理器的系统，但对于广泛的 FPGA 应用却是一种限制。而 FPGA 开发板则不同，要求的是更具有通用性的万能型 I/O 结构，其中以根据需要定义 I/O。因此，EXP 规范通过限制固定信号定义数量的方法提供了很大的灵活性，允许根据最终应用以更自由的形式确定 I/O 分配。
EXP 规范定义了一个具有 120 个引脚的连接器，其中有 84 个用户 I/O 和一个电源与接地组合。标准的 EXP 配置在共有 168 个用户 I/O 的完整 EXP 模块配置中使用两个连接器。也可以采用半 EXP 模块格式，其中只使用一个 EXP 连接器。可以将两个半 EXP 模块连接到一个完整的 EXP 配置基板。
Spartan-3A DSP FPGA SelectIOTM 接口支持多种常用的单端和差分标准。表 1 所示为每个 EXP 连接器上的可用引脚数，表中附有所支持单端和差分对的细目。每个 EXP 连接器最多可支持 84 个单端 I/O 信号或一个单端与差分对组合。每个 EXP 连接器提供多达 24 个差分对，总共有 48 对，这对于视频和通讯应用中使用的某些高带宽 LVDS 接口非常重要。Spartan-3A DSP 入门套件电路板为每个 EXP 连接器提供了一个用户可选 I/O 电压跳线器。这样即可按 2.5V 或 3.3V 信令配置每个 EXP 连接器。
可见，Spartan-3A DSP 入门套件上包括的 EXP 插槽为广泛的附加应用模块和自定制用户接口敞开了大门。Avnet 公司创制了一套现成的 EXP 模块，这些模块可以在包括 Spartan-3A DSP 入门套件在内的任何具有 EXP 功能的基板之间互换。我们来探讨其中一些模块，了解它们如何定制入门套件并创建能发挥 Spartan-3A DSP 功能的强大原型系统。
3. 视频应用
Spartan-3A DSP FPGA 是成本敏感型 DSP 算法及协处理应用的理想选择。这一 FPGA 系列很适合视频及图像处理，尤其适合视频监控和视频安全市场。为了帮助迅速推广在该领域的应用，Avnet 公司创制了 Video EXP 模块。Video EXP 献上了一份专业/消费（或称“专业消费”）级前端视频功能的厚礼。Video EXP 支持 DVI、色差、复合、S 视频、图像传感器和 VGA 输入，并且支持 DVI、VGA 和 LCD 平板显示器视频输出，从而可满足范围广泛的视频处理应用需求。
图 2 所示为通过以太网应用实现的视频系统的示例，可以用 Video EXP 和 Spartan-3A DSP 组合基板建立这种应用。Spartan-3A DSP SelectIO 接口可以控制对图像传感器和 LCD 平板显示器的 LVDS 接口。250 MHz 的 DSP48A Slice 和扩大的增强型 Block RAM 可以实现 DSP 密集型图像处理流水线。像 Bayer 滤镜、色彩空间转换、色度分段取样和 MPEG-4 视频压缩这类功能都可以在 FPGA 中实现并实时运行。32位的 MicroBlazeTM 处理器可帮助管理处理流水线和以太网接口。
4. 无线通讯系统
互联网接入需求的日益高涨使得可提供不间断互联网连接的无线通讯系统呈爆炸式增长。WiMAX 无线接入技术使用得越来越广泛，具有极大的市场潜力。WiMAX 基于 IEEE 802.16e-2005 标准，支持使用正交频分多址接入（OFDMA）技术和多输入多输出（MIMO）技术等先进的信号处理方案来实现高速互联网接入。Spartan-3A DSP 是完美的解决方案，可支持这类要求灵活性高和上市时间短的高带宽处理密集型应用。
为了支持无线通讯原型开发，Avnet 公司和德州仪器公司开发了两种 EXP 模块，从而进一步完善了 Spartan-3A DSP 入门套件的数字 IF 处理能力。这两个模块是 High Speed ADC EXP 和 High Speed DAC EXP，它们分别支持 12 位/500 MSPS 的模数转换和 16 位/1 GSPS 的数模转换。作为半模块，每个 EXP 只需要一个 EXP 连接器，因此入门套件基板可支持两个半 EXP 模块的任意组合。
图 3 所示为直接转换型无线通讯系统的示例，可以用 Spartan-3A DSP 入门套件、High-Speed DAC EXP 和 High-Speed ADC EXP 开发这种系统的原型。Spartan-3A DSP 中的增强型 DSP48A Slice 使其成为实现数字化前端处理的理想方案。数字上变频器（DUC）由两个多相插值 FIR 滤波器、一个 CIC 滤波器和一个峰均比衰减块组成，可以在 Spartan-3A DSP FPGA 中实现。输出驱动 EXP 模块上的高速内插 DAC，进而驱动 RF 功率放大器进行传输。在接收侧，可用 500 MSPS 的 ADC 对 IF 信号直接取样，并将该信号传送到 FPGA 进行数字下变频（DDC）。
5. 嵌入式处理平台
Spartan-3A DSP FPGA 系列不仅具有很适合高性能 DSP 应用的功能，而且也是嵌入式处理解决方案的得力选择。增强型片上 Block RAM 使 Spartan-3A DSP 特别适合软核 MicroBlaze 嵌入式处理器。为了更好地满足对基于 MicroBlaze 处理器的嵌入式应用的需要，可以按图4所示增加 Interface EXP 半模块。Interface EXP 支持基于处理器的系统中的多种常见嵌入式处理接口。因为 Interface EXP 是半模块格式，所以仍可选择增加第二个半 EXP 模块。如果与 Spartan-3A DSP FPGA 中的软核相结合，就可以获得极大的灵活性和对设计的控制能力。Xilinx 提供的 IP 核适合所有接口，包括 USB、CAN、以太网、SPI、I2C 和UART 接口。
6. 结论
Xilinx Spartan-3A DSP 入门套件为围绕 Spartan-3A DSP FPGA 系列开发应用提供了极好的方法。电路板上包括的 EXP 插槽将这套功能分离出来，以便为满足对视频处理、通讯、嵌入式系统及其它大范围应用的需要进行自定制。可以用 EXP 附加模块迅速建立实际的原型，从而将构思变为现实。
一旦缺少现成形式的特定功能，可以用定制设计的 EXP 卡轻而易举地创建自己的功能。Avnet 公司还提供一种原型 EXP 模块，极适合在标准的 0.1 英寸排针上接入所有 I/O 信号。
Avnet 公司将继续推出新型 EXP 模块，以扩大这一入门套件及其它具有 EXP 功能的基板的适用范围和功能。请访问www.em.avnet.com/exp，下载 EXP 模块和 EXP 规范的完整列表。
您是否曾经对下一个杀手锏 FPGA 应用有所高见，但却苦于找不到恰当的原型开发硬件来印证您的构想？有此苦衷的不只您一个。找到完美的开发平台并非易事。电路板设计常常较注重功能展示而不大注重开发，留给设计人员灵活发挥的余地很小，可使用的 FPGA I/O 引脚有限。
Xilinx 最近推出了 Xilinx® SpartanTM-3A DSP FPGA 系列，以此创造出一种独特的、面向原型设计的低成本入门套件，便于进行应用开发。通过电路板上的 EXP 扩展接口，可以针对应用添加子板，以便为满足原型需求自定制电路板的功能集。
本文将评述 EXP 标准，介绍它为甚么是 FPGA 友好型，为甚么能够满足最迫切的扩展需求。着眼于目前已有的几种 EXP 模块，了解如何用它们轻而易举地围绕 Spartan-3A DSP 创建视频、嵌入式和通讯处理应用。将了解到 EXP规范、Spartan-3A DSP 入门套件和 EXP 附加模块如何结合起来，既快捷又划算地为您提供得力的原型系统。
2. EXP 扩展标准
新型的 Spartan-3A DSP 入门套件（www.xilinx.com/cn/s3adspstarter）包括图 1 所示标准功能集。并行 Flash 存储器和 SPI 存储器专用于配置，而 DDR2 存储器则可用于高性能海量存储。其中的千兆位以太网 PHY 和串行端口支持标准的通讯链接，而时钟、开关、LED 和部分通用用户 I/O 则用来完善电路板接口。剩下的 168 个FPGA 用户 I/O 引脚连接到两个连接器。这两个连接器的配置符合针对 FPGA 开发板制定的 EXP 扩展插槽标准。
大多数行业标准总线（ 如 P C I 、PMC、PCMCIA 或 PC-104）都是采纳地址加数据的总线结构，这种结构很适合基于处理器的系统，但对于广泛的 FPGA 应用却是一种限制。而 FPGA 开发板则不同，要求的是更具有通用性的万能型 I/O 结构，其中以根据需要定义 I/O。因此，EXP 规范通过限制固定信号定义数量的方法提供了很大的灵活性，允许根据最终应用以更自由的形式确定 I/O 分配。
EXP 规范定义了一个具有 120 个引脚的连接器，其中有 84 个用户 I/O 和一个电源与接地组合。标准的 EXP 配置在共有 168 个用户 I/O 的完整 EXP 模块配置中使用两个连接器。也可以采用半 EXP 模块格式，其中只使用一个 EXP 连接器。可以将两个半 EXP 模块连接到一个完整的 EXP 配置基板。
Spartan-3A DSP FPGA SelectIOTM 接口支持多种常用的单端和差分标准。表 1 所示为每个 EXP 连接器上的可用引脚数，表中附有所支持单端和差分对的细目。每个 EXP 连接器最多可支持 84 个单端 I/O 信号或一个单端与差分对组合。每个 EXP 连接器提供多达 24 个差分对，总共有 48 对，这对于视频和通讯应用中使用的某些高带宽 LVDS 接口非常重要。Spartan-3A DSP 入门套件电路板为每个 EXP 连接器提供了一个用户可选 I/O 电压跳线器。这样即可按 2.5V 或 3.3V 信令配置每个 EXP 连接器。
可见，Spartan-3A DSP 入门套件上包括的 EXP 插槽为广泛的附加应用模块和自定制用户接口敞开了大门。Avnet 公司创制了一套现成的 EXP 模块，这些模块可以在包括 Spartan-3A DSP 入门套件在内的任何具有 EXP 功能的基板之间互换。我们来探讨其中一些模块，了解它们如何定制入门套件并创建能发挥 Spartan-3A DSP 功能的强大原型系统。
3. 视频应用
Spartan-3A DSP FPGA 是成本敏感型 DSP 算法及协处理应用的理想选择。这一 FPGA 系列很适合视频及图像处理，尤其适合视频监控和视频安全市场。为了帮助迅速推广在该领域的应用，Avnet 公司创制了 Video EXP 模块。Video EXP 献上了一份专业/消费（或称“专业消费”）级前端视频功能的厚礼。Video EXP 支持 DVI、色差、复合、S 视频、图像传感器和 VGA 输入，并且支持 DVI、VGA 和 LCD 平板显示器视频输出，从而可满足范围广泛的视频处理应用需求。
图 2 所示为通过以太网应用实现的视频系统的示例，可以用 Video EXP 和 Spartan-3A DSP 组合基板建立这种应用。Spartan-3A DSP SelectIO 接口可以控制对图像传感器和 LCD 平板显示器的 LVDS 接口。250 MHz 的 DSP48A Slice 和扩大的增强型 Block RAM 可以实现 DSP 密集型图像处理流水线。像 Bayer 滤镜、色彩空间转换、色度分段取样和 MPEG-4 视频压缩这类功能都可以在 FPGA 中实现并实时运行。32位的 MicroBlazeTM 处理器可帮助管理处理流水线和以太网接口。
4. 无线通讯系统
互联网接入需求的日益高涨使得可提供不间断互联网连接的无线通讯系统呈爆炸式增长。WiMAX 无线接入技术使用得越来越广泛，具有极大的市场潜力。WiMAX 基于 IEEE 802.16e-2005 标准，支持使用正交频分多址接入（OFDMA）技术和多输入多输出（MIMO）技术等先进的信号处理方案来实现高速互联网接入。Spartan-3A DSP 是完美的解决方案，可支持这类要求灵活性高和上市时间短的高带宽处理密集型应用。
为了支持无线通讯原型开发，Avnet 公司和德州仪器公司开发了两种 EXP 模块，从而进一步完善了 Spartan-3A DSP 入门套件的数字 IF 处理能力。这两个模块是 High Speed ADC EXP 和 High Speed DAC EXP，它们分别支持 12 位/500 MSPS 的模数转换和 16 位/1 GSPS 的数模转换。作为半模块，每个 EXP 只需要一个 EXP 连接器，因此入门套件基板可支持两个半 EXP 模块的任意组合。
图 3 所示为直接转换型无线通讯系统的示例，可以用 Spartan-3A DSP 入门套件、High-Speed DAC EXP 和 High-Speed ADC EXP 开发这种系统的原型。Spartan-3A DSP 中的增强型 DSP48A Slice 使其成为实现数字化前端处理的理想方案。数字上变频器（DUC）由两个多相插值 FIR 滤波器、一个 CIC 滤波器和一个峰均比衰减块组成，可以在 Spartan-3A DSP FPGA 中实现。输出驱动 EXP 模块上的高速内插 DAC，进而驱动 RF 功率放大器进行传输。在接收侧，可用 500 MSPS 的 ADC 对 IF 信号直接取样，并将该信号传送到 FPGA 进行数字下变频（DDC）。
5. 嵌入式处理平台
Spartan-3A DSP FPGA 系列不仅具有很适合高性能 DSP 应用的功能，而且也是嵌入式处理解决方案的得力选择。增强型片上 Block RAM 使 Spartan-3A DSP 特别适合软核 MicroBlaze 嵌入式处理器。为了更好地满足对基于 MicroBlaze 处理器的嵌入式应用的需要，可以按图4所示增加 Interface EXP 半模块。Interface EXP 支持基于处理器的系统中的多种常见嵌入式处理接口。因为 Interface EXP 是半模块格式，所以仍可选择增加第二个半 EXP 模块。如果与 Spartan-3A DSP FPGA 中的软核相结合，就可以获得极大的灵活性和对设计的控制能力。Xilinx 提供的 IP 核适合所有接口，包括 USB、CAN、以太网、SPI、I2C 和UART 接口。
6. 结论
Xilinx Spartan-3A DSP 入门套件为围绕 Spartan-3A DSP FPGA 系列开发应用提供了极好的方法。电路板上包括的 EXP 插槽将这套功能分离出来，以便为满足对视频处理、通讯、嵌入式系统及其它大范围应用的需要进行自定制。可以用 EXP 附加模块迅速建立实际的原型，从而将构思变为现实。
一旦缺少现成形式的特定功能，可以用定制设计的 EXP 卡轻而易举地创建自己的功能。Avnet 公司还提供一种原型 EXP 模块，极适合在标准的 0.1 英寸排针上接入所有 I/O 信号。
Avnet 公司将继续推出新型 EXP 模块，以扩大这一入门套件及其它具有 EXP 功能的基板的适用范围和功能。请访问www.em.avnet.com/exp，下载 EXP 模块和 EXP 规范的完整列表。
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