Module Cmod S7 Base Spartan™ 6 LX4 Xilinx - Digilent

Poser un FPGA directement sur une plaque d'essai, entre un capteur et un afficheur, sans passer par une carte de développement où chaque broche est déjà affectée : c'est le pari du Cmod S7. Ce module au format DIP 48 broches loge un FPGA AMD Spartan-7 XC7S25, expose 32 entrées-sorties libres au pas de 2,54 mm, et se programme sous AMD Vivado via un circuit USB-JTAG embarqué. L'édition gratuite de Vivado suffit.

Spécifications visuelles du module Cmod S7

La famille Cmod, contraction de « Carrier Module », répond à une logique différente de celle des cartes Basys ou Nexys. Aucune fonction n'est imposée : l'utilisateur décide de ce qu'il branche sur les broches. Rien n'est câblé d'avance.

Spécifications techniques

Le composant central est un FPGA AMD Spartan-7 XC7S25-1CSGA225C, logique programmable pure, sans processeur matériel. Il aligne 3 650 slices, chacune composée de quatre LUT à six entrées et de huit bascules, 1 620 Kbits de Block RAM rapide et 80 slices DSP. Trois blocs de gestion d'horloge, dotés chacun d'une PLL et d'un gestionnaire d'horloge mixte (MMCM), autorisent des fréquences internes supérieures à 450 MHz. Un convertisseur analogique-numérique XADC est intégré au silicium : deux canaux, 12 bits, jusqu'à 1 Méch/s, accessibles depuis le port de reconfiguration dynamique, avec en prime la lecture du capteur de température interne du FPGA.

La configuration est stockée dans une Flash Quad-SPI de 4 Mo, programmable indirectement depuis Vivado ; le FPGA se recharge alors à chaque mise sous tension. La programmation directe passe par le port USB-JTAG. Un oscillateur à quartz de 12 MHz fournit l'horloge système. Point de vigilance : cette fréquence est trop basse pour attaquer directement une PLL, dont l'entrée minimale se situe à 19 MHz ; il faut passer par un MMCM, ce que l'assistant Clocking Wizard gère automatiquement.

Un même circuit FT2232HQ assure le pont USB-UART et la fonction JTAG, indépendamment l'une de l'autre : un seul câble micro-USB programme, alimente et dialogue avec le module. Ce câble n'est pas fourni.

Le brochage DIP 48 broches ne compte que 36 broches peuplées, dont 32 entrées-sorties FPGA et deux entrées analogiques. Chaque broche numérique passe par une résistance série de 240 Ω qui protège le FPGA d'un court-circuit ; en contrepartie, elle plafonne la vitesse de commutation à 25 MHz. Ces broches tolèrent jusqu'à 3,5 V. Les broches 32 et 33 alimentent le XADC : des diviseurs résistifs ramènent une entrée 0-3,3 V dans la plage 0-1 V attendue par le convertisseur ; elles supportent jusqu'à 5,5 V, mais toute tension au-delà de 3,3 V sera lue comme 3,3 V.

Côté périphériques, le module embarque deux boutons-poussoirs, quatre LED et une LED RGB. Un connecteur Pmod standard 2×6 offre huit signaux logiques supplémentaires en 3,3 V, protégés par des résistances série de 200 Ω, avec une capacité de 200 mA sur les rails d'alimentation. L'alimentation se fait par l'USB ou par une source 5 V appliquée sur la broche 24 (VU), la masse étant sur la broche 25. Le circuit imprimé mesure 0,7 × 3,05 pouces, soit environ 17,8 × 77,5 mm, ce qui permet de l'enficher sur une plaque d'essai ou dans un support classique.

Pourquoi choisir le Cmod S7 ?

Sur une carte de développement classique, les entrées-sorties du FPGA sont préaffectées. Seize interrupteurs et seize LED, et voilà trente-deux broches immobilisées avant même d'avoir écrit une ligne de HDL. Le Cmod S7 renverse ce principe : il expose les broches nues et laisse le concepteur choisir ce qu'il y raccorde.

D'où sa valeur pédagogique. L'étudiant doit câbler lui-même son montage, comprendre le brochage, gérer les niveaux logiques. Le travail de conception matérielle redevient visible, au lieu d'être escamoté par des périphériques déjà routés.

Le format compte tout autant. Enfichable sur une plaque d'essai sans soudure ou dans un support DIP, le module s'intègre à un prototype comme le ferait un circuit intégré ordinaire. Pour valider une architecture destinée à un ASIC, ou pour insérer de la logique programmable dans un montage existant, cette souplesse mécanique vaut plus qu'une réserve logique supplémentaire.

Restent les limites, qu'il faut connaître avant de commander. Les résistances de protection bornent les entrées-sorties à 25 MHz : ce n'est pas un module pour interfaces rapides. La Flash de 4 Mo ne remplace pas une mémoire de travail, et le Spartan-7 ne propose ni transcepteur sériel, ni mémoire externe DDR. Un projet gourmand en ressources ou nécessitant des liaisons haut débit s'orientera vers le Cmod A7, à FPGA Artix-7, au même format DIP. Enfin, les outils AMD ne sont pas téléchargeables dans tous les pays : mieux vaut vérifier ce point en amont, puisqu'ils conditionnent l'usage du module.

Développer avec le Cmod S7

La conception matérielle se fait sous AMD Vivado, à partir de la version 2018.1, avec la prise en charge de l'édition WebPACK. Digilent publie des board files et un fichier de contraintes maître (XDC) qui déclare le brochage complet du module, ce qui évite de reprendre à la main l'affectation des broches.

Le Spartan-7 n'ayant pas de cœur processeur matériel, les projets demandant du logiciel embarqué instancient un cœur soft MicroBlaze dans la logique programmable. L'application C se développe ensuite sous Vitis (ou l'ancien SDK Xilinx pour les projets d'exemple les plus anciens). Cette approche permet d'ajouter périphériques, mémoire et interfaces à la demande, dans les limites des ressources disponibles.

La programmation s'effectue par USB-JTAG depuis le gestionnaire matériel de Vivado, sans sonde externe, ou de façon permanente en écrivant le bitstream dans la Flash Quad-SPI. Une LED « DONE » signale la configuration réussie. Le bitstream d'un Spartan-7 25T avoisine les dix millions de bits ; la compression, activée par défaut dans le fichier de contraintes Digilent, réduit sensiblement le temps de programmation.

Le connecteur Pmod ouvre l'accès à la bibliothèque de modules Digilent : convertisseurs, capteurs, commandes de moteur, interfaces de communication. L'ensemble des cartes FPGA et SoC de la marque figure dans la gamme cartes FPGA / SoC Digilent.

Chaîne d'outils logicielle et matérielle du Cmod S7

Du board file au bitstream, la chaîne est courte, et les deux projets de démonstration officiels servent de point de départ immédiat.

Cmod S7 en pratique : exemples concrets

Le module trouve sa place partout où la logique programmable doit cohabiter avec des composants discrets, sur une plaque d'essai ou dans un montage soudé.

Prototypage sur plaque d'essai sans soudure

Les 32 entrées-sorties au pas de 2,54 mm se raccordent directement aux rangées d'une platine breadboard. Le FPGA devient un composant parmi d'autres : capteurs, drivers, afficheurs se câblent autour de lui, sans carte intermédiaire ni adaptateur.

Enseignement de la logique numérique

Rien n'étant précâblé, l'étudiant doit établir chaque liaison. Les quatre LED, la LED RGB et les deux boutons servent de retour immédiat pour les premiers exercices, avant de basculer vers des montages externes plus ambitieux.

Systèmes embarqués à processeur soft

Un cœur MicroBlaze instancié dans le Spartan-7 transforme le module en microcontrôleur sur mesure, avec les périphériques exactement adaptés à l'application. Le pont USB-UART fournit la console de débogage.

Acquisition analogique par le XADC

Les deux entrées analogiques du brochage DIP, associées au convertisseur 12 bits interne, mesurent des tensions de 0 à 3,3 V à une cadence pouvant atteindre 1 Méch/s. Un montage s'instrumente ainsi sans convertisseur externe.

Validation d'architectures et intégration en support

Enfichable dans un support DIP standard, le module s'insère dans un système embarqué existant pour y apporter une fonction logique dédiée. Il sert aussi de banc de validation pour des architectures destinées à un circuit intégré spécifique.

Extension par modules Pmod

Le connecteur Pmod ajoute huit signaux et donne accès aux modules Digilent prêts à l'emploi, sans mobiliser les broches DIP réservées au montage principal.

Ressources & documentation Digilent

Digilent publie deux projets de référence pour le Cmod S7. Chacun est résumé ci-dessous, avec le lien vers la ressource officielle.

Démonstration XADC

Ce projet montre comment exploiter le convertisseur analogique-numérique intégré au Spartan-7 depuis un processeur soft MicroBlaze. Le matériel se construit sous Vivado, l'application C se déploie ensuite sur le cœur. Une fois la démonstration lancée, les tensions présentes sur les deux entrées analogiques du brochage DIP sont relevées dix fois par seconde et affichées dans un terminal série relié au module par le câble micro-USB. Le projet sert de base à toute application d'acquisition analogique.

Consulter la démonstration XADC

Démonstration de sortie d'usine (Out-of-Box)

Écrit en Verilog, sans processeur, ce projet exerce les périphériques embarqués. La LED RGB parcourt une séquence de couleurs, les quatre LED s'allument tour à tour, et chaque appui sur l'un des deux boutons envoie un message au terminal série via le pont USB-UART. C'est le projet à charger en premier pour vérifier que la chaîne d'outils et le module fonctionnent.

Consulter la démonstration Out-of-Box

Ressources Blog Digilent

Un billet du blog Digilent revient sur la conception du module et sur ce qui le sépare des autres membres de la famille Cmod.

Présentation du Cmod S7-25

L'auteure y expose la philosophie des Carrier Modules : accélérer le prototypage en laissant l'ingénieur décider de l'affectation des entrées-sorties, là où une carte système les consomme d'avance dans des fonctions figées. L'argument pédagogique est développé — l'enseignant peut demander à ses étudiants de câbler eux-mêmes le matériel externe, ce qui remet la conception matérielle au premier plan. L'article détaille aussi la singularité du module au sein de la gamme : il reprend le brochage DIP 48 broches du Cmod A7 mais n'en peuple que 36, ce retrait ayant permis de placer le FPGA et facilitant l'insertion comme le retrait sur une plaque d'essai. Le Spartan-7 retenu est celui de l'Arty S7-25.

Lire l'article sur le blog Digilent

Résumé des caractéristiques techniques

• FPGA : AMD Spartan-7 XC7S25-1CSGA225C (logique programmable seule, sans processeur matériel)
• Ressources logiques : 3 650 slices, 80 slices DSP, 1 620 Kbits de Block RAM, 3 blocs de gestion d'horloge
• Convertisseur : XADC 12 bits, 2 canaux, jusqu'à 1 Méch/s, plus capteur de température interne
• Mémoire : Flash Quad-SPI 4 Mo
• Horloge : oscillateur à quartz 12 MHz
• Interface : USB-JTAG et pont USB-UART sur un seul connecteur micro-USB (câble non fourni)
• Entrées-sorties : DIP 48 broches, 36 peuplées, 32 E/S FPGA (commutation limitée à 25 MHz) et 2 entrées analogiques 0-3,3 V
• Périphériques : 2 boutons, 4 LED, 1 LED RGB, 1 connecteur Pmod (8 signaux)
• Logiciel : AMD Vivado 2018.1 ou ultérieur (édition WebPACK gratuite), Vitis, cœur soft MicroBlaze
• Alimentation : USB ou 5 V externe sur la broche DIP 24
• Dimensions : 0,7 × 3,05 pouces (environ 17,8 × 77,5 mm)

Questions fréquentes

Quel FPGA équipe le Cmod S7 ?

Le module repose sur un FPGA AMD Spartan-7 XC7S25-1CSGA225C. Il compte 3 650 slices, 80 slices DSP et 1 620 Kbits de Block RAM. C'est une logique programmable au sens strict, sans processeur ARM matériel, contrairement à un SoC Zynq.

Le Cmod S7 se branche-t-il vraiment sur une plaque d'essai ?

Oui. Ses broches sont au pas de 100 mils (2,54 mm) et le circuit mesure 0,7 pouce de large, ce qui l'enfiche à cheval sur la rainure centrale d'une breadboard sans soudure. Il accepte aussi un support DIP standard, pour une intégration dans un montage définitif.

Pourquoi les entrées-sorties sont-elles limitées à 25 MHz ?

Chaque broche numérique est reliée au FPGA par une résistance série de 240 Ω. Cette protection évite de détruire une sortie en cas de court-circuit ou de conflit de pilotage, ce qui arrive vite sur une plaque d'essai. La contrepartie est un plafonnement de la vitesse de commutation à 25 MHz.

Peut-on exécuter du logiciel embarqué sur ce module ?

Oui, en instanciant un cœur soft MicroBlaze dans le FPGA, puis en écrivant l'application C sous Vitis. La démonstration XADC officielle fonctionne sur ce principe. Aucun processeur matériel n'est présent sur le module.

Comment alimenter le Cmod S7 ?

Deux options : par le connecteur micro-USB, ou par une source 5 V appliquée sur la broche 24 du brochage DIP, avec la masse sur la broche 25. Lorsque le module est relié à un hôte USB, la broche VU distribue le 5 V et peut alimenter un circuit externe. Le câble micro-USB n'est pas livré.

Que peut-on mesurer avec le XADC ?

Les broches 32 et 33 acceptent des tensions de 0 à 3,3 V, ramenées par des diviseurs résistifs dans la plage 0-1 V attendue par le convertisseur. Celui-ci numérise sur 12 bits, jusqu'à un million d'échantillons par seconde. Toute tension supérieure à 3,3 V sera lue comme 3,3 V.

Quelle différence avec le Cmod A7 ?

Les deux modules partagent le format DIP 48 broches. Le Cmod A7 embarque un FPGA Artix-7, davantage de ressources logiques, de la mémoire SRAM externe et des lignes de transcepteur. Digilent le recommande dès qu'un projet dépasse les capacités du Spartan-7 ou réclame des liaisons sérielles rapides.

Quel logiciel faut-il pour programmer le module ?

AMD Vivado, en version 2018.1 ou postérieure, dont l'édition WebPACK gratuite suffit. Les outils AMD n'étant pas disponibles au téléchargement dans tous les pays, il est prudent de vérifier ce point avant l'achat, car ils sont indispensables à l'usage du module.

À qui s'adresse ce produit ?

Le Cmod S7 vise en premier lieu l'enseignement de l'électronique numérique. Les professeurs y trouvent un support qui oblige les étudiants à câbler physiquement leurs montages, plutôt qu'à cocher des périphériques déjà routés. Les ingénieurs et concepteurs l'emploient pour glisser de la logique programmable dans un prototype sur plaque d'essai, ou pour valider une architecture avant un passage en circuit intégré spécifique. Les makers avancés apprécient de pouvoir traiter le FPGA comme un composant ordinaire, enfichable dans un support. Les développeurs embarqués construisent autour du cœur MicroBlaze un microcontrôleur taillé sur mesure. En revanche, un projet exigeant des interfaces rapides, une mémoire externe DDR ou des transcepteurs sériels devra se tourner vers un module plus fourni.

Ce qu'il faut retenir

Ce module se juge à ce qu'il n'impose pas. Aucune broche affectée d'avance, aucun périphérique dont on n'a que faire, aucun encombrement superflu. Là où une carte de développement propose un environnement complet et referme du même geste une partie des possibilités, le Cmod S7 livre un FPGA, une horloge, une alimentation et des broches accessibles. Le reste appartient au concepteur. Cette sobriété a un coût, mesurable en mégahertz et en ressources logiques, et un bénéfice : la logique programmable cesse d'être un îlot posé sur un bureau pour devenir un composant du circuit, au même titre qu'un amplificateur ou un microcontrôleur.

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