FPGA Mainboard

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FPGA Mainboard

Projekt: Mainboard mit Lattice ECP5 FPGA link symbol

Ziel link symbol

Entwicklung eines Mainboards, das auf einem Lattice ECP5 FPGA basiert, um die vielseitigen Anwendungen moderner FPGAs zu demonstrieren. Das Mainboard soll Schnittstellen für Peripheriegeräte bieten und sowohl einfache Hardwarebeschleunigung als auch digitale Logikaufgaben ermöglichen.

Beschreibung link symbol

Das Mainboard soll eine vielseitige Plattform sein, die sich für die Entwicklung und Implementierung digitaler Logik, Hardwarebeschleunigung oder komplexer Steuerungssysteme eignet. Der Fokus liegt auf:

  • Der Implementierung des FPGA-Designs.
  • Der Bereitstellung von Peripherieschnittstellen.
  • Der Programmierbarkeit über eine geeignete Entwicklungsumgebung.

Hardwareanforderungen link symbol

Hauptkomponenten: link symbol

  • Lattice ECP5 FPGA:
    • Modell: z. B. LFE5U-45F (oder höher, je nach Verfügbarkeit).
    • FPGA-Ressourcen: LUTs, Flip-Flops, DSP-Blöcke, Block-RAM.
  • Spannungsversorgung:
    • Mehrspannungsversorgung für FPGA-Kern (z. B. 1,2 V) und IO-Bänke (z. B. 3,3 V).
    • Low-Dropout-Regler (LDO) oder Schaltregler zur effizienten Stromversorgung.
  • Speicher:
    • SDRAM (z. B. 32 MB bis 64 MB).
    • Flash-Speicher für die FPGA-Konfiguration (z. B. SPI-Flash).
  • Kommunikationsschnittstellen:
    • USB zu UART für Debugging und Steuerung.
    • SPI/I2C für externe Sensoren und Module.
    • High-Speed-Schnittstelle wie PCIe oder Gigabit-Ethernet (optional).
  • Peripherieanschlüsse:
    • GPIO-Pins (General Purpose Input/Output).
    • JTAG für Programmierung und Debugging.
    • Anschlüsse für LED- und Tasteransteuerung.

I/O-Module und Erweiterung: link symbol

  • HDMI/DVI-Ausgabe (optional):
    • Unterstützung für Videobeschleunigung.
  • PMOD- und Erweiterungssteckplätze:
    • Anbindung externer Module wie Displays, Sensoren oder Motorsteuerungen.
  • SPI-Flash-Speicher:
    • Speicherung von FPGA-Bitstreams oder Benutzerdaten.

Projektphasen link symbol

Phase 1: Planung und Schaltplanerstellung link symbol

  • Ziele:
    • Definition der Anforderungen (z. B. Anzahl GPIOs, Schnittstellen, Stromversorgung).
    • Erstellen eines Schaltplans mit EDA-Software (z. B. KiCAD, Altium Designer).
  • Aufgaben:
    1. Auswahl eines passenden Lattice ECP5-Modells basierend auf Projektanforderungen.
    2. Entwurf der Spannungsversorgung, einschließlich Reglern und Filterkondensatoren.
    3. Einbindung der Speichermodule (SDRAM, SPI-Flash).
    4. Planung der Peripherieschnittstellen und Steckverbindungen.

Phase 2: PCB-Design und Fertigung link symbol

  • Ziele:
    • Layout des Mainboards und Vorbereitung für die Fertigung.
  • Aufgaben:
    1. Entwurf eines mehrlagigen PCBs:
      • Power-Plane für stabile Stromversorgung.
      • Signal-Plane für Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. DDR, PCIe).
    2. Signal- und Impedanzkontrolle:
      • Berücksichtigung von Leitungsführung und Terminierung.
    3. Fertigung des PCBs und Bestellung der Bauteile.
  • Ergebnisse:
    • Fertiges PCB-Layout bereit zur Produktion.

Phase 3: Aufbau und Inbetriebnahme link symbol

  • Ziele:
    • Zusammenbau des Mainboards und Überprüfung der Grundfunktionen.
  • Aufgaben:
    1. Bestückung des PCBs mit Bauteilen.
    2. Ersttests:
      • Überprüfung der Spannungsversorgung.
      • Verbindungstests über JTAG.
    3. Initiales Laden eines FPGA-Bitstreams zur Überprüfung grundlegender Funktionen.
  • Ergebnisse:
    • Funktionsfähige Hardware mit Basisbetrieb.

Phase 4: FPGA-Design und Softwareintegration link symbol

  • Ziele:
    • Entwicklung von FPGA-Designs und Testsoftware.
  • Aufgaben:
    1. FPGA-Konfiguration:
      • Erstellen eines Designs mit der Lattice Diamond IDE oder alternativen Open-Source-Tools (z. B. Yosys/Nextpnr).
      • Laden des Bitstreams über JTAG oder SPI-Flash.
    2. Testdesigns:
      • LED-Blinken, UART-Kommunikation, Speicherzugriff.
      • Einfaches Signalverarbeitungsmodul (z. B. Multiplikator mit DSP-Blöcken).
    3. Erweiterung:
      • Implementierung einer Videobeschleunigung (z. B. HDMI-Ausgabe).
      • Anbindung externer Module über GPIO oder PMOD.
  • Ergebnisse:
    • Funktionierende FPGA-Designs mit Anbindung an Peripherie und Speicher.

Phase 5: Dokumentation und Abschluss link symbol

  • Ziele:
    • Dokumentation der Hardware und FPGA-Designs.
  • Aufgaben:
    1. Erstellung eines Schaltplans mit allen finalen Verbindungen.
    2. Anleitung zur Programmierung des FPGA und Nutzung der Schnittstellen.
    3. Zusammenfassung der Testergebnisse und Verbesserungsvorschläge.
  • Ergebnisse:
    • Vollständige Dokumentation des Projekts.

Lernziele link symbol

  • Verständnis für FPGA-Architekturen und deren Anwendungsmöglichkeiten.
  • Planung und Umsetzung eines Mainboards mit modernen Entwicklungswerkzeugen.
  • Grundlagen des PCB-Designs und der Hochfrequenzsignale.
  • Nutzung von Tools wie Lattice Diamond, Yosys oder KiCad.
  • Verständnis für Hardware-Software-Integration und Systemdesign.