如何使用FPGA打造VGA显卡

介绍设计电路板的过程，包括基本步骤和技术，以及FPGA的应用和发展方向。

FPGA（可编程门阵列）是一种功能强大的电子设备，它由多个逻辑块通过互连线连接在一起。通过按需连接逻辑块，可以创建简单或复杂的电路。你可以将FPGA想象成一个大盒子里的乐高积木，可以按照你的意愿组合出各种类型的数字电路，从简单的异或门（XOR）到中央处理器（CPU），甚至整个系统（如果你有足够的资金购买最大规模的设备）。

FPGAs已被广泛应用于许多领域，其中之一就是模拟旧系统。MiSTer就是一个例子，Jeri Ellsworth的C-One是另一个例子。但事实上，FPGAs无处不在，它们快速、稳定，并且适应大多数应用场景。

本文分享一个建造电路板原型的经历，希望能帮助到大家。

1 设计电路板

在这个原型中，使用的是赛灵思（Xilinx）的Spartan 7系列FPGA。他们的XC7S6型号是最便宜的，拥有6,000个逻辑单元和100个I/O引脚供使用。FTGB196版本具有1mm的引脚间距，尺寸为15mm × 15mm，足够大，易于操作。

FPGAs需要多种不同的电压。在这个设计中，将I/O引脚的工作电压设置为3.3V（因为这对于业余爱好者来说比较标准），但还需要提供5V、1.8V和1.0V的电压。这意味着需要处理4种不同的电压！这些电路的设计可以在网上找到。基本上每个电压都需要一个芯片形式的稳压器和几个平滑电容器，一旦被设计好，你就可以在后续的设计中重复使用它们。

这里使用KiCAD进行设计。

FPGA本身是一个复杂的组件，它具有许多引脚，并按照不同的组织方式分为各种引脚组。FPGA可以被看作是一个整体的元件，但它也可以被分解为子元件。幸运的是，KiCAD提供了这个功能，这非常有用。这意味着你可以在多个图纸上同时显示FPGA，且只显示与该图纸相关的部分。通过这种方式可以保持图纸的整洁和清晰。

在第一块板上，没有太多其他的组件。这里设计了一块焊盘，用于连接一些存储器，这次选择了SRAM。在电路方面，SRAM所需的电路非常简单。另外还有一个USB到UART芯片，它也相对简单。然而，要找到具有正确焊盘的芯片并不容易。最终，费了一番周折才找到了一些合适的芯片。

最后，还有一个Pmod连接器。这是Digilent（一家FPGA制造商）的标准配置，用于外围设备。这里找到了一些插座的焊盘。

2 焊接BGA

FPGA通常采用球网阵列封装（Ball Grid Array，简称BGA），其底部没有引脚或腿，而是一些小小的焊球。将FPGA连接到电路板的常见方法是通过回流焊炉进行烘烤。这是目前大多数电子产品的组装方式。

通常情况下，最好是将整个制造过程交给专业制造商完成。在设计电路板时，需要考虑到机器人焊接，然后将其发送给拥有大型贴片机和大型烤箱的电路板厂，这样工作就完成了。然而，这种方法成本较高，通常仅适用于大批量订单。对于爱好者来说，BGA封装是一个挑战。

幸运的是，市面上有许多便宜或改装的焊炉可用。这里购买了一台价格便宜的焊炉——广受爱好者喜爱的T962A回流焊炉。

在进行回流焊接时，需要使用焊膏。焊膏是一种灰色的粘稠物，其中含有微小的焊球。加热后，焊膏会熔化并流动，通过毛细作用完成剩余的焊接工作。但首先，需要将焊膏涂抹在电路板上的焊盘上。常见的方法是使用金属薄膜模板，这些模板相当昂贵。

这里找到了一个位于英国的供应商，他们愿意使用激光切割聚酯薄膜作为替代品。虽然聚酯薄膜并不是最理想的选择，但对于单个元件来说效果还不错。这里决定只回流焊接FPGA，以保持简单。其他部分可以很容易地手动焊接。

使用这种方法，能学到一个诀窍——如果你使用镀铝膜，一定要在口罩上使用圆形图案，而不是激光切割小矩形并让它们彼此靠近。薄薄的镀铝薄膜无法承受刮擦，否则焊膏会四处飞溅。

焊接之前将FPGA放置在焊膏上是非常令人紧张的一步。我发现在温度图上画一个倒置的“V”形对于回流焊接FPGA效果不错。数据手册列出了推荐的曲线和温度，而这个曲线应该最符合要求。

3 手工焊接和错误

大多数元件都是2012封装（旧货币中的0805）。通常，进行手工焊接需要先在一个焊盘上涂上焊锡，在熔化焊锡的同时放置元件，让它固定，然后再焊接另一个焊盘。较大的元件通常需要经过焊锡、焊剂、焊锡带三个步骤。也可以将所有引脚涂上焊锡，然后去除多余的焊锡，据说这种方法效果非常好。有时你可能会看到一些焊点乍看起来是正确的，但实际上并没有连接。因此，反复再次检查非常重要，可以使用一把放大镜仔细检查焊点。

4 用Pmod进行图形处理

当所有焊接完成并经过测试后，可以使用一个小型JTAG电缆对FPGA进行编程。首先要做的是点亮一个LED。借助赛灵思的Vivado软件，你可以构建小型设计，将其烧录到FPGA上。

一旦LED成功闪烁，下一步就是尝试一些VGA（视频图形阵列）。尽管VGA是一项旧技术，但它非常可靠。由于它是模拟信号，所以需要更多的元件。幸运的是，数字到模拟的转换可以通过Digilent的VGA Pmod来实现。这个小巧可爱的板子只需插入电路板上的两个Pmod连接器即可。剩下的就是生成正确的数字信号。

幸运的是，威尔在这方面已经做了大量工作。你可以看看他关于FPGA图形处理的惊人系列文章。借助他的代码，你可以烧录FPGA。

5 未来研究方向

FPGA是非常神奇的设备。然而，硬件确实很复杂，虽然我们可以在软件中设计很多东西，但仍然存在许多潜在的错误。特别是在FPGA硬件调试方面有一些困难，因为一旦焊接上去，就无法再进行测试，也无法轻松取下来重试。虽然你可以使用测试探针接触它并测试信号，但FPGA处理的许多信号都非常快速且具有极高的带宽。

现在你掌握了一些基础知识，但还有许多其他方面可以研究，例如内存、外设、音频和更好的图像，这需要时间来探索和实现。不过，当最终获得成功时，所有的努力都是值得的！ 

审核编辑：黄飞