Platine Digilent FPGA Arty A7 - 100 base Artix-7 Xilinx

Un FPGA AMD/Xilinx Artix-7 de grande taille, 256 Mo de DDR3L, un port Ethernet, quatre connecteurs Pmod et un connecteur au format shield pour Arduino : l'Arty A7-100T réunit sur une carte compacte de quoi construire un système embarqué complet autour d'un processeur soft-core MicroBlaze ou RISC-V. La programmation s'effectue sous Vivado, et l'ensemble a été pensé pour passer rapidement de l'idée au prototype fonctionnel.
 

Spécifications visuelles de la carte FPGA Arty A7-100T

Spécifications techniques

La carte Arty A7-100T s'articule autour d'un FPGA AMD/Xilinx Artix-7 (XC7A100T), qui met à disposition environ 101 440 cellules logiques, 63 400 LUT, 126 800 bascules, 240 tranches DSP et 4 860 Kbit de Block RAM. Six blocs de gestion d'horloge (chacun avec PLL et MMCM) et des vitesses d'horloge internes supérieures à 450 MHz complètent la logique. Le FPGA intègre un convertisseur analogique-numérique XADC à deux voies (12 bits).

Là où beaucoup de cartes FPGA d'entrée de gamme se limitent à la logique, l'Arty embarque deux mémoires externes : 256 Mo de DDR3L sur un bus 16 bits cadencé à 667 MHz, et 16 Mo de Flash série Quad-SPI pour la configuration et le stockage de programme. Un oscillateur à 100 MHz fournit l'horloge de référence, exploitable via les MMCM et PLL du FPGA.

La connectivité est le point fort de la carte. Elle dispose d'un port Ethernet 10/100 Mbps, d'un pont USB-UART et d'un circuit USB-JTAG pour la programmation. Côté interaction, on trouve 4 interrupteurs, 4 boutons-poussoirs, un bouton reset, 4 LED et 4 LED RGB. L'extension passe par 4 connecteurs Pmod (types standard et haute vitesse) et un connecteur de shield Arduino/chipKIT exposant 49 broches d'E/S numériques au FPGA.

La carte s'alimente par le port USB ou par une source externe de 7 à 15 V sur le jack d'alimentation. La logique des E/S travaille en 3,3 V. La programmation se fait en JTAG ou par écriture du bitstream dans la Flash Quad-SPI, sous AMD Vivado Design Suite (édition gratuite WebPACK), en VHDL ou en Verilog.

Pourquoi choisir l'Arty A7-100T ?

Avec ses quelque 101 440 cellules logiques, le XC7A100T laisse de la place pour des designs que des FPGA plus petits ne peuvent pas contenir. On peut y implémenter un processeur soft-core, voire plusieurs cœurs, avec leurs caches et leurs périphériques, sans se battre en permanence contre le taux d'occupation.

La présence de la DDR3L change aussi la donne. Elle permet d'exécuter des programmes MicroBlaze volumineux ou de manipuler de gros volumes de données, ce qui ouvre la porte à des applications que la seule mémoire interne du FPGA ne pourrait pas adresser. Le port Ethernet ajoute la dimension réseau : serveur embarqué, acquisition distante, communication entre cartes.

Enfin, le double système d'extension distingue l'Arty. Les quatre ports Pmod donnent accès à l'écosystème de modules Digilent, tandis que le connecteur de shield Arduino ouvre la carte à un très large catalogue de cartes filles du commerce. Il faut toutefois garder en tête que l'Arty reste une carte de développement à peupler. Hormis quelques LED, boutons et interrupteurs, elle ne comporte pas de périphériques d'affichage ou de mesure intégrés. C'est un choix assumé de flexibilité, qui suppose de disposer de modules Pmod ou de shields pour la mettre en valeur.

Développer avec l'Arty A7-100T

Le flot de développement de l'Arty A7-100T repose sur AMD/Xilinx Vivado, dont l'édition WebPACK est gratuite. Le FPGA se décrit en VHDL ou en Verilog, et Vivado prend en charge la synthèse, l'implémentation, la simulation et la génération du bitstream. Le port USB-JTAG programme la carte via un câble micro-USB ; le bitstream peut aussi être écrit dans la Flash Quad-SPI pour un démarrage autonome.

La carte a été conçue dès l'origine comme un support pour le processeur soft-core MicroBlaze. Concrètement, on assemble un système dans l'IP Integrator de Vivado (le processeur, le contrôleur mémoire MIG pour la DDR3, l'UART, l'Ethernet, les GPIO), puis on développe l'application C sous Vitis. Les board files Digilent préconfigurent le composant, l'horloge et les contraintes de broches, ce qui réduit sensiblement le travail de mise en place. La carte sert aussi de plateforme courante pour les cœurs RISC-V open source.

Côté matériel, les quatre ports Pmod acceptent les modules Digilent (convertisseurs, capteurs, drivers, afficheurs, audio, vidéo), et le connecteur compatible avec les Shield pour Arduino permet d'utiliser les shields du commerce. D'autres modèles existent dans la gamme des cartes FPGA Digilent pour des besoins différents.

Chaîne d'outils logicielle et matérielle de l'Arty A7-100T

L'Arty A7-100T en pratique : exemples concrets

Grâce à sa DDR3, son Ethernet et ses connecteurs d'extension, l'Arty A7-100T couvre un éventail d'usages plus large qu'une carte de logique pure. Les plus représentatifs sont les suivants.

Processeur soft-core et systèmes embarqués

Le FPGA héberge un système MicroBlaze ou RISC-V complet, avec sa mémoire DDR3, son UART et ses périphériques. C'est la vocation première de la carte, adaptée au développement embarqué comme à l'étude de l'architecture des processeurs.

Applications réseau

Le port Ethernet permet de bâtir un serveur embarqué (par exemple un serveur echo), de piloter la carte à distance ou de faire communiquer plusieurs systèmes entre eux.

Traitement du signal

Les 240 tranches DSP et la DDR3 rendent possibles des traitements exigeants : filtrage, FFT à nombreux points, traitement d'image, front-ends de radio logicielle.

Acquisition et mesure

Le XADC numérise des signaux analogiques, et les modules Pmod convertisseurs (ADC/DAC) transforment la carte en plateforme d'acquisition ou de génération de signaux à timing déterministe.

Prototypage matériel

Avant d'engager un circuit imprimé sur mesure, l'Arty valide une architecture FPGA. Les connecteurs Arduino et Pmod permettent d'assembler rapidement les entrées-sorties spécifiques à l'application.

Audio et vidéo via Pmod

Associée à un module Pmod adapté (à ajouter en option), la carte gère une entrée/sortie audio stéréo ou une sortie vidéo VGA, ce qui élargit encore le champ des projets réalisables.

Ressources & documentation Digilent

Digilent fournit plusieurs démonstrations prêtes à charger qui font le tour des capacités de la carte et servent de base à des projets personnels.

Démonstration GPIO

Ce projet illustre l'usage des E/S de base de l'Arty : interrupteurs, LED, LED RGB, boutons et pont USB-UART. C'est un bon point de départ pour comprendre l'affectation des broches et la structure d'un projet.

Consulter la démonstration GPIO

Démonstration XADC

Ce projet Verilog met en œuvre le convertisseur analogique-numérique de l'Artix-7. Une tension appliquée sur les entrées analogiques fait progresser l'allumage des LED à mesure qu'elle augmente, et les interrupteurs sélectionnent le canal XADC lu. Il sert de base pour ajouter une mesure analogique à un design.

Voir la démonstration XADC

Démonstration Pmod VGA

Ce projet VHDL exploite deux ports Pmod et le module Pmod VGA pour générer une sortie vidéo : une boîte rebondissante et des mires de test s'affichent sur un moniteur. La résolution est configurable dans le code HDL, la valeur par défaut étant 1920×1080 à 60 Hz.

Découvrir la démonstration Pmod VGA

Démonstration Pmod I2S2 (audio)

Ce projet crée un passage audio de l'entrée ligne vers la sortie ligne à travers le module Pmod I2S2 (convertisseurs stéréo 24 bits). Le volume est réglé par le nombre d'interrupteurs fermés, du silence au volume maximal, et le bouton reset réinitialise la démo. Un casque ou des enceintes et une source audio sont nécessaires.

Explorer la démonstration Pmod I2S2

Tutoriels de conception Digilent

Au-delà des démonstrations, Digilent propose des tutoriels guidés pour construire ses propres systèmes sur l'Arty A7.

Guide de programmation de l'Arty

Ce guide détaille les méthodes de programmation de la carte : chargement du bitstream via le port USB-JTAG pour la mise au point, et écriture dans la Flash Quad-SPI, éventuellement accompagnée d'un programme MicroBlaze, pour un fonctionnement autonome après une coupure d'alimentation.

Suivre le guide de programmation

Conception d'un système de base

Ce tutoriel construit pas à pas un système MicroBlaze de base dans l'IP Integrator de Vivado, en exploitant la DDR3 (via le contrôleur MIG), l'UART et les E/S de la carte. Il fournit une fondation réutilisable sur laquelle greffer des fonctions plus complexes.

Consulter le tutoriel de conception

Prise en main des serveurs MicroBlaze

Ce tutoriel prolonge la conception d'un système MicroBlaze en exploitant le port Ethernet embarqué et les GPIO. Il aboutit à un design réseau complet, typiquement un serveur echo accessible depuis un PC, géré par le processeur soft-core.

Voir le tutoriel MicroBlaze en réseau

Ressources Blog Digilent

Le blog Digilent illustre les possibilités de la carte à travers des projets concrets.

Un manipulateur de code Morse sur Arty A7

Cet article présente le projet d'un radioamateur qui a utilisé une Arty A7 pour réaliser un manipulateur (keyer) de code Morse, sans expérience préalable des FPGA. Le keyer est bâti comme une machine à états s'appuyant sur des compteurs pour respecter le timing strict du Morse, avec plusieurs horloges dont une définit la vitesse de transmission. Le projet montre comment le déterminisme d'un FPGA se prête au respect de contraintes temporelles précises.

Lire l'article sur le blog Digilent

Résumé des caractéristiques techniques

• FPGA : AMD/Xilinx Artix-7 XC7A100T (≈101 440 cellules logiques, 63 400 LUT, 126 800 bascules, 240 tranches DSP, 4 860 Kbit de Block RAM, XADC 12 bits)
• Mémoire externe : 256 Mo DDR3L (bus 16 bits @ 667 MHz) + Flash Quad-SPI 16 Mo
• Horloge : oscillateur 100 MHz ; horloges internes > 450 MHz
• Réseau / communication : Ethernet 10/100 Mbps, pont USB-UART, USB-JTAG (programmation)
• Interaction : 4 interrupteurs, 4 boutons + reset, 4 LED, 4 LED RGB
• Extension : 4 connecteurs Pmod (standard et haute vitesse) + connecteur shield Arduino/chipKIT
• Logiciel : AMD Vivado (WebPACK gratuit), VHDL/Verilog, MicroBlaze et RISC-V pris en charge, Vitis pour la partie logicielle
• Alimentation : USB ou source externe 7-15 V ; logique 3,3 V

Questions fréquentes

Quel logiciel faut-il pour programmer l'Arty A7-100T ?

La carte se programme sous AMD/Xilinx Vivado, dont l'édition WebPACK est gratuite. Le FPGA se décrit en VHDL ou en Verilog. Pour un design utilisant le processeur soft-core MicroBlaze, la partie logicielle se développe sous Vitis (ou l'ancien Xilinx SDK).

Quelle est la différence entre l'Arty A7-100T et un microcontrôleur ?

L'Arty repose sur un FPGA : la logique est entièrement reconfigurable. Elle n'a pas de processeur matériel figé, mais peut en héberger un ou plusieurs sous forme soft-core (MicroBlaze, RISC-V), tout en implémentant en parallèle de la logique dédiée plus rapide qu'un simple microcontrôleur pour certaines tâches.

À quoi servent la DDR3 et l'Ethernet ?

Les 256 Mo de DDR3L permettent d'exécuter des programmes volumineux ou de traiter de grands volumes de données, au-delà de la mémoire interne du FPGA. Le port Ethernet 10/100 ouvre la voie aux applications réseau : serveur embarqué, contrôle à distance, échange entre cartes.

Peut-on utiliser des shields Arduino ?

Oui. Le connecteur de shield Arduino/chipKIT expose 49 broches d'E/S numériques au FPGA et a été conçu pour être compatible avec la majorité des shields du marché. Les quatre ports Pmod acceptent par ailleurs les modules Pmod Digilent.

La carte convient-elle aux projets RISC-V ?

Oui. L'Arty A7 est une plateforme répandue pour l'implémentation de cœurs RISC-V soft-core, qu'il s'agisse de MicroBlaze ou de cœurs open source. La capacité du XC7A100T laisse de la marge pour ce type de design.

Comment se programme la carte pour un fonctionnement autonome ?

Le bitstream (et, le cas échéant, un programme MicroBlaze) s'écrit dans la Flash Quad-SPI de 16 Mo. Au démarrage, le FPGA se configure automatiquement depuis cette Flash, sans PC connecté.

Quelles sont les limites à connaître ?

L'Arty est une carte de développement à peupler : hors LED, boutons et interrupteurs, elle n'intègre pas de périphériques d'affichage ou de mesure. Elle suppose donc de disposer de modules Pmod ou de shields. Le grade de vitesse -1 du FPGA limite par ailleurs les performances de la DDR3 par rapport à un composant plus rapide.

À qui s'adresse ce produit ?

L'Arty A7-100T vise les développeurs et ingénieurs qui veulent construire un système embarqué reconfigurable : processeur soft-core, contrôleur, passerelle réseau, chaîne de traitement du signal. Sa DDR3, son Ethernet et sa large capacité logique en font une plateforme adaptée aux projets qui dépassent le simple exercice de logique. Elle concerne aussi les étudiants avancés et les chercheurs en architecture des processeurs, notamment autour de RISC-V, ainsi que les makers expérimentés qui souhaitent exploiter l'écosystème Arduino et Pmod avec la souplesse d'un FPGA. Les bureaux d'études y trouvent enfin un support de prototypage rapide pour valider une architecture avant de concevoir un circuit sur mesure.

Ce qu'il faut retenir

Là où une carte de logique d'entrée de gamme s'arrête aux circuits combinatoires et séquentiels, l'Arty A7-100T ajoute les deux ingrédients qui font basculer vers le système complet : de la mémoire externe et du réseau. C'est cette combinaison, plus qu'un simple surcroît de cellules logiques, qui définit sa place. Pour qui veut prototyper un SoC défini par logiciel, expérimenter RISC-V ou bâtir une application embarquée connectée sans concevoir de PCB, elle constitue un point d'entrée solide. Le compromis, lui, s'assume : une carte volontairement nue côté périphériques, qui prend toute sa valeur une fois équipée de modules Pmod ou de shields.

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