最具低成本、功耗优势的Nexys 4开发板详构

Nexys 4是Digilent公司的基于Xilinx公司最新的Artix-7系列FPGA的开发板。Digilent公司是一家在FPGA、微处理技术领域具备顶尖设计、制造水平的公司， 特别是它们与高校良好合作，推出的产品都有针对教育机构的优惠学术价格，为学生提供了大量高性能高性价比板卡。之前的Nexys 2和Nexys 3 FPGA开发板也非常受欢迎，甚至在很多学校都开有专门的教学课程。

图 Digilent公司新推出的Nexys 4

因为是样品，包装比较简单，只有一块Nexys 4板卡，没有任何配件。不过Nexys 4可以通过USB供电、编程以及串口监视，只需要一根micro USB连接线就行，搭建工作平台还是很简单。

Nexys 4 FPGA开发板非常小巧，PCB尺寸109mm x 122mm，近似一个正方形状。相比Nexys 3，虽然宽度一样，但是尺寸更小。

图2右边是Nexys 4，宽度相当，长度少一点

 Nexys 4是基于最新的Xilinx 7系列FPGA，板上核心器件是一块Artix-7 FPGA (XC7A100T-1CSG324C)。Artix-7是7系列中低成本系列芯片，面向成本敏感型应用FPGA，采用了28nm工艺，与上一代45nm器件相比功耗降低了一半。Artix-7具有目前最低的成本和功耗优势，特别适用于消费类电子以及手持和便携设备。

图3 XC7A100T-1CSG324C

XC7A100T-1CSG324C是Artix-7系列中资源比较丰富的一款芯片，多达10万逻辑单元（Logic Cells）同时集成了硬件AXI IP资源和模拟混合信号，支持8路 6.6G 收发器、930 GMAC、13Mb BRAM、1.2Gb/s LVDS 和 DDR3-1066等。XC7A100T-1CSG324C采用了Chip scale封装，尺寸只有15mm x 15mm，最大用户IO达到210个。

Nexys 4的设计还是沿用了Digilent开发板一贯的风格，核心FPGA芯片位于开发板中心，所有外设资源排列在板子四周。Nexys 4的尺寸相比虽然更小了，板上的外设资源并没有缩水，相反增加了很多实用的功能，下面看看开发板上都有那些资源。

图 4 、5Nexys 4的设计

特点：

■Xilinx Artix-7 FPGA (XC7A100T-1CSG324C)
■128Mb PSRAM MT45W8MW16BGX-701
■128Mb 四线 SPI Flash N25Q128A13EF840E
■10/100 Ethernet SMSC LAN8720A
■PDM（脉冲密度调制） MEMs 数字麦克风
■3轴加速度计
■音频放大和扬声器接口
■温度传感器 ADT7420
■Micro USB接口（UART和编程口共用）FT2232HQ
■USB HID主机接口（鼠标、键盘）PIC24FJ128
■SD卡插槽
■100MHz CMOS 晶振
■12位VGA接口
■2个RGB 三色 LED
■5个Pmod接口
■基本IO外设：16路拨码开关、16路LED、8路7段数码管、5个按钮

Nexys 4可以说是针对学生和初学者的一款高性能的FPGA开发板，板载的Artix-7 FPGA资源非常丰富。同时开发板集成了USB、以太网口、VGA接口等常用外设以及众多基本的IO外设，完全能满足初学者的学习要求。更有力的是Nexys 4开发板集成了一些常用的扩展功能比如温度传感器、加速度计、数字麦克风等等，这样无需添加扩展模块直接利用Nexys 4开发板就能开发更广泛的应用。

图6  大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

图7 大量基本IO控制包括开关、按键、LED和数码管

图8 常用的接口如USB、以太网、VGA等

图9 SD卡可以用来存储FPGA程序

图10Nexys 4 FPGA开发板上的micro USB

Nexys 4 FPGA开发板上的micro USB可以同时作为编程口和虚拟USB串口，采用了FTDI公司的FT2232HQ双路USB转串行通讯接口芯片。FT2232HQ是一款单芯片单路USB转双路串行或并行通信的USB桥接芯片，支持USB2.0高速传输。Nexys 4 FPGA开发板上micro USB即可以作为FPGA编程接口也可以作为串口通信。

Demo演示

Nexys 4 FPGA开发板出厂时在Flash预置了一个demo演示程序，首先还是上电看看Nexys 4的工作情况吧。

Nexys 4的供电方式有3种，可以通过USB编程口直接供电或者外接5V电源适配器，特别的是开发板提供了锂电池供电接口，这也说明Artix-7是非常低功耗的芯片。

开发板上有一个启动模式跳线，因为Nexys 4上的FPGA可以通过3种方式启动：SPI Flash、JTAG以及SD卡。我们先将电源选择跳线选到USB接口供电，同时启动模式选择到SPI模式。

插上micro USB连接线到电脑，打开Nexys 4上的电源开关，FPGA开始启动。USB连接后会要求安装USB的驱动，可以看到USB枚举出两个串行转换接口，同时识别出USB虚拟串口。

图13黄色是FPGA "DONE" LED灯

FPGA启动完成后，黄色的“DONE” LED变亮，同时下方的2个三色LED不断变换颜色。而且我们也可以看到VGA显示器上出现一个监控画面。

 显示屏上的监视画面可以直观查看Nexys 4的一些功能模块，包括温度传感、3色LED颜色变换、3轴加速度计位置状态以及麦克风的声音。

下面看一段视频：