Details

В работе рассматривается проблема разработки универсальной аппаратной платформы для учебных и исследовательских целей на базе программируемых логических интегральных схем (FPGA) двух производителей: Xilinx и Pango. Актуальность темы обусловлена ограниченной доступностью традиционно используемых микросхем и необходимостью внедрения альтернативных решений без ущерба для образовательного процесса. Основная идея работы заключается в создании аппаратной платформы с возможностью взаимозаменяемости FPGA без необходимости изменения конструкции печатной платы. Для этого проведён сравнительный анализ отладочных плат, их инструментов разработки и библиотек IP-ядер. Сформулированы требования к функционалу устройства, которые позволили бы использовать его как для базового обучения цифровой логике, так и для реализации сложных встраиваемых систем. В ходе выполнения работы была разработана полная электрическая принципиальная схема устройства с учётом требований совместимости компонентов, разработана шестислойная печатная плата с поддержкой интерфейсов PCIe Gen2, Gigabit Ethernet, DDR3L, USB 2.0 и других, подготовлен детальный план тестирования прототипа для оценки его функциональности, обеспечена совместимость платформы с ПЛИС Xilinx XC7A100T и Pango PG2L100H, что подтверждено анализом документации. Разработанная платформа позволяет выбирать используемую FPGA зависимости от целей проекта и доступности компонентов. Она подходит как для учебных курсов по цифровой схемотехнике и ПЛИС, так и для прототипирования встраиваемых и вычислительных систем.

The paper considers the problem of developing a universal hardware platform for educational and research purposes based on programmable logic integrated circuits (FPGAs) from two manufacturers: Xilinx and Pango. The relevance of the topic is due to the limited availability of traditionally used chips and the need to introduce alternative solutions without harm to the educational process. The main idea of the work is to create a hardware platform that allows FPGA interchangeability without the need to change the design of the printed circuit board. For this purpose, a comparative analysis of existing development boards, their development tools and IP core libraries was conducted. The requirements for the devices functionality are formulated, ensuring its suitability both for basic digital logic training and for the implementation of complex embedded systems. During the work, a complete electrical schematic diagram of the device was developed taking into account compatibility requirements, a six-layer printed circuit board was developed with support for PCIe Gen2, Gigabit Ethernet, DDR3L, USB 2.0 and others interfaces, a detailed prototype testing plan was prepared to evaluate its functionality, and the platform compatibility with Xilinx XC7A100T and Pango PG2L100H FPGAs was confirmed by the analysis documentation. The developed platform allows its users to choose the FPGA used depending on the project objectives and the availability of components. It is suitable for both training courses in digital circuit engineering and FPGA, and for prototyping embedded and computing systems.

• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. АНАЛИЗ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
• 1.1. Цель раздела
• 1.2. Обоснование требований к разрабатываемой платформе
• 1.2.1 Анализ существующих решений
• 1.2.2 Требования к платформе
• 1.3. Анализ и обоснование выбора средств проектирования платформы
• 1.4. Выводы по разделу
• 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМ
• 2.1. Цель раздела
• 2.2. Разработка структурной схемы проекта
• 2.2.1 Список требований к структурной схеме
• 2.2.3 Структурная схема платы
• 2.3 Анализ требований к питанию платы
• 2.4. Анализ и оптимизация набора компонентов и создание библиотеки
• 2.5. Разработка электрической принципиальной схемы платы
• 2.5.1 Способы организации схем
• 2.5.2. Организация проекта
• 2.5.3. Power Conversion
• 2.5.4. FPGA Power
• 2.5.5. Memory
• 2.5.6. Ethernet
• 2.5.7. PCIe
• 2.5.8. USB
• 2.5.9. FTDI
• 2.6. Выводы по разделу
• 3. ТРАССИРОВКА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
• 3.1. Цель раздела
• 3.2. Определение требований и трассировка печатной платы
• 3.2.1 Выбор топологии
• 3.2.2 Контроль волнового сопротивления
• 3.2.3 Типы используемых переходных отверстий
• 3.2.4 Алгоритм работы при трассировке
• 3.2.5. Размещение компонентов
• 3.2.6. Цепи питания и заземление
• 3.2.7. Особенности при трассировке
• 3.3. Анализ и оптимизация трассировки
• 3.3.1. Design Rule Check
• 3.3.2. Electrical Rule Check
• 3.3.3. DC Drop Анализ
• 3.4. Подготовка комплекта файлов для производства
• 3.5. Выводы по разделу
• 4. ТРЕБОВАНИЯ К НАБОРУ ТЕСТОВ И ПРОЦЕДУРА ТЕСТИРОВАНИЯ
• 4.1. Цель раздела
• 4.2. Разработка требований к тестам и состава тестов
• 4.2.1. Безопасное включение и целостность питания
• 4.2.2. Проверка выходных напряжений питания
• 4.2.3. Проверка конфигурации через JTAG
• 4.2.4. Тест пользовательского интерфейса
• 4.2.4.1. Тест светодиодов
• 4.2.4.2. Тест кнопок
• 4.2.4.3. Тест семисегментных индикаторов
• 4.2.5. Проверка корректной работы памяти
• 4.2.5.1. Тест DDR3L-памяти
• 4.2.5.2. Тест Flash-памяти
• 4.2.5.3. Тест автономной загрузки прошивки из Flash-памяти
• 4.2.6. Проверка корректной работы коммуникационных интерфейсов
• 4.2.6.1. Тест интерфейса Ethernet
• 4.2.6.2. Тест интерфейса USB-UART
• 4.3. Разработка процедуры тестирования
• 4.4. Выводы по разделу
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Список источников