Lark Board评估板 – Cyclone V SoC的专用舞台

路边一支花

随着FPGA技术的高速发展，芯片规模不断提升，带来了更强的性能的同时，也实现了更低的功耗。FPGA凭借其强大的并行信号处理能力，在应对控制复杂度低、数据量大的运算时具有较强的优势。但是在复杂算法的实现上，FPGA却远没有32位精简指令集计算机（RISC）处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时，往往需要RISC和FPGA结合使用。这样电路设计的难度也就相应地增加。而Altera的Cyclone V SoC将RISC硬核处理器系统和FPGA集成到一起实现了功能的互补，大大减小了硬件电路复杂性和体积，同时也降低了功耗，提高了系统可靠性。这针对嵌入式开发者来说绝对是一种福音，因为这一架构意味着更高的系统性能、更低的功耗（相对于双芯片的解决方案）、更小的电路板面积和更低的系统成本。然而，就像一个才华横溢的艺术家需要一个量身定做的舞台才能让观众有叹为观止的印象，再强大的芯片也需要设计优秀的外围电路和接口才能发挥其所长，而这正是英蓓特开发最新的Lark Board评估板的最终目的，即为Altera Cyclone V SoC提供一个任意施展的舞台。


 
（Cyclone V SoC的框图）


Lark Board评估板根据该SoC的三大核心资源（即传统FPGA通用IO与逻辑、传统ARM通用IO以及控制器和高速差分收发器）进行了定制，提供了板载USB Blaster II JTAG在线调试功能、TF卡及eMMC启动、HPS与FPGA各自独享1GB DDR3内存、SDI高清输入和输出、VGA及HDMI高清显示、中小尺寸LCD触摸屏接口、高带宽模拟前端及ADC采样、10/100/1000M以太网、USBx4接口、数字摄像头接口、PCIEX1/X4接口、RTC、HPS和FPGA部分扩展等等丰富的扩展接口和硬件资源。下面是Lark Board系统框图，清晰的展现了该评估板如何挖掘Cyclone V的各种功能。
 


下面让我们来逐个了解Lark Board身上的这些接口和硬件资源，看看它是怎么样让Cyclone V SoC在这个专门为其设计的舞台上尽情的发挥。


 
（Lark Board实物图）
1.        板载USB Blaster II
JTAG及USB Blaster II是FPGA开发的基本调试工具。Embest作为Altera战略合作伙伴，得到Altera授权在Lark Board上使用在线的USB Blaster II，提高FPGA调试的效率和可靠性，省去用户购买外接Blaster的麻烦，同时也杜绝了因为用户疏忽忘记关电导致热插拔外接Blaster而造成板子烧坏的情况。另外，板载USB Blaster II能够支持Quartus II及ARM DS-5开发环境。


2.        支持TF卡和eMMC启动 
Lark Board自带TF Card插座及4GB eMMC，用户可以自行选择从eMMC或者TF Card启动。


3.        板载DDR3存储器
Lark Board上的SoC在FPGA和HPS部分各集成一个硬核DDR控制器，分别外接两颗DDR3颗粒（各1GB）。HPS和FPGA通过内部的桥接可以实现相互访问，最大访问空间为1GB，速度最高可达800MHz (1600Mbps)。


4.        SDI高清输入和输出
通过配置SoC自带的SDI收发器，以及板上集成的LMH0303线缆驱动器和LMH0384均衡器，Lark Board 可以采用SMB同轴线实现与高清IP Camera或者DVR相接，实现在安防监控、医疗影像、汽车安全等方面的应用。


5.        VGA和HDMI 
Lark Board集成CH7033B HDTV/VGA/DVI显示编码芯片，拥有灵活的图像缩放引擎，简单的数字音频配置接口。显示方面支持1080 HDMI输出，VGA显示器最大支持分辨率可以达到1920x1080。音频方面支持SPDIF和双通道I2S音频输入，高保真的音频解码引擎拥有高达192k/2ch的采样率，支持PCB编码数据和Dolby/DTS压缩数字音频。


6.        LCD触摸屏接口
Lark Board上的50Pin LCD触摸屏接口可以支持最高24位的颜色数据，同时集成触摸屏控制芯片，简单实现坐标数据到标准SPI协议数据的转换。


7.        LNA（低噪音放大器）和ADC采样
Lark Board集成双通道3.3GHz射频/中频差分放大器和12位105MSPS的ADC，可以实现射频、中频模拟信号的放大、滤波、采样等处理。用户可以以此为原型，结合HPS & FPGA的强大运算和图像处理能力开发各类数据采集、分析和处理系统，如采样示波器、软件无线电基站、模拟/数字电视接收、GPS/雷达/声纳接收处理系统等。


8.        10/100/1000 Mbps以太网
Lark Board集成AR8035单网口10/100/1000Mbps以太网控制器，支持MAC端RGMII接口；提供低成本、低功耗的网络解决方案。


9.        USB PHY和Hub
Lark Board 包含USB3320高速USB2.0物理层收发器和USB2514 USB Hub，最大支持4个USB接口，可以实现轻松实现USB协议所包含的Host/Slave/OTG功能，和高速、全速及低速传输模式。


10.        数字摄像头接口
Lark Board 包含一个30Pin的数字摄像头接口，可以通过FPC（柔性电路板）连接摄像头。最高支持12位的数字图像输入数据。


11.        PCI-E X1/X4接口
Lark Board 包含PCI-E X1/X4扩展插槽，通过配置FPGA的硬核，可以轻松支持各类PCI-E的扩展应用卡。


12.        RTC时钟
Lark Board 包含DS3231时钟芯片，通过板上的电池底座可以接入3V的纽扣锂电池，实现系统掉电以后的时钟管理。


13.        HPS（硬核处理器系统）部分IO引脚扩展
未在板上直接利用或者有复用意义的HPS部分IO引脚通过标准的40Pin插座引出，方便用户根据自身应用再做扩展和功能定制， 用户可以轻松使用HPS集成的QSPI、SPI、I2C、UART、GPIO控制器。


14.        FPGA部分IO引脚扩展
未在板上直接利用的FPGA部分IO管脚通过另外一个标准的40Pin插座引出，方便用户根据自身应用再做扩展和功能定制，用户可以通过配置FPGA内的硬核与逻辑资源，轻松实现各种高带宽功能的定制应用，支持的传输协议包括LVDS、RSDS、SLVS、Mini-LVDS等。


Altera Cyclone SoC集成双核Cortex A9 MPCore处理器，采用先进的28nm FPGA技术，其性能不可谓不强大。而正如文章开头所提到的，无论一个艺术家多么的才华横溢，都需要一个适合的舞台来发挥所长，Lark Board的出现恰恰为这一强大的SoC提供了一个巨大的舞台，在这个舞台上能够实现嵌入式设计所需要的低功耗、低成本、高带宽，高可靠性、灵活定制和快速上市等优势，满足工业控制、医疗、汽车和监控等领域的应用要求源，再加上英蓓特科技在底层开发上的丰富经验和定制设计服务，嵌入式应用和系统设计人员在开发过程中自然能够达到事半功倍的效果。