随着嵌入式系统和可编程逻辑技术的发展，FPGA（现场可编程门阵列）在工业自动化、人工智能、航空航天等领域扮演着越来越重要的角色。如何快速搭建一套稳定、高效且便于调试的FPGA测试平台，成为技术开发者的关键需求。本文以Raspberry Pi Compute Module 5作为核心，结合定制的载板设计，详尽介绍其在FPGA测试平台中的应用，为广大硬件与嵌入式开发爱好者提供实用的参考。 Raspberry Pi Compute Module 5，简称CM5，是基于广泛应用的Raspberry Pi 5的系统模块，集成了强大的Broadcom BCM2712处理器，配备四核64位Arm Cortex-A76核心，主频高达2.4GHz。CM5提供多种内存配置，目前主流版本配有2GB、4GB和8GB的LPDDR4X SDRAM，未来还计划推出更大容量的16GB版本。在存储方面，CM5内建多种eMMC闪存选项，包括16GB、32GB和64GB，适合不同应用需求。
另外，也有“Lite”版本，去除内建eMMC，支持通过SD卡或NVMe扩展存储，极大提升了灵活性。 在图形和接口方面，CM5内置800MHz VideoCore VII显卡，支持OpenGL ES 3.1和Vulkan 1.2，能够支持多达双路4Kp60 HDMI显示输出，适合需要多显示器的应用场景。无线通讯能力同样出色，具备2.4GHz和5.0GHz双频Wi-Fi及蓝牙5.0，且便于根据设计选用内置PCB天线或外接天线。以太网配备了千兆以太网物理层芯片，支持IEEE 1588精准时间同步，对于高精度网络应用非常关键。 值得一提的是，CM5配备了PCIe Gen2 x1接口，传输速率达5Gbps，适合连接高速外设如NVMe固态硬盘，这在传统Raspberry Pi平台上较为罕见。USB端口方面，拥有两个USB 3.0接口以及一个USB 2.0接口，满足数据传输和扩展需求。
MIPI接口设计灵活，两组4通道MIPI可配置为DSI显示或CSI摄像头接口，适配各种多媒体采集和输出场景。 针对FPGA测试需求，定制开发的载板在CM5基础上进行了专门的架构设计，重点提升FPGA与主控模块之间的接口能力。载板设计包括了对嵌入式系统Tile的直接JTAG访问，保证能够实现底层的调试和配置。此外，载板设有USB C接口，既能直连FPGA管脚，也支持USB JTAG通信，为不同调试手段留出便利通道。通过FTDI 4232H芯片，USB接口映射至FPGA IO环，可支持多串口通信和SPI、I2C等总线协议的“位打”操作，灵活性大大增强。 载板配置了Skyworks时钟发生器，为FPGA提供稳定的时钟源，且支持外部配置和CM5软件控制，使时钟管理更加智能化。
为了扩展外设，设计中集成了两个Pmod接口，方便与各类传感器和外部模块对接。GPIO信号精准连接CM5和FPGA，确保数据与控制信号的高速稳定交换。 带有双路HDMI、双USB A接口、以太网、WiFi及蓝牙等综合功能的CM5，为载板提供了丰富的操作界面和通讯手段，无论是本地交互还是远程管理都游刃有余。MIPI CSI/DSI接口的加入也为未来增加摄像头感知或高分辨率显示等功能预留了空间。 开发过程中，CM5的启动管理尤为重要。通过设计带有nRPI_Boot信号的下拉电路，载板能够确保CM5在USB引导模式下启动，这对于首次刷写未编程的eMMC尤为关键。
配合官方提供的Raspberry Pi USB Boot Setup工具，开发者只需将CM5通过USB C与主机连接，即可像管理U盘一样轻松加载操作系统镜像。Raspberry Pi Imager软件进一步简化了系统刷写流程，并提供网络配置等个性化设置，节省后续调试时间。 启动完毕后，连接双HDMI显示器即可观察CM5运行的Raspbian系统界面，使用无线键鼠或USB外设操作体验流畅。与此同时，也可以通过Ethernet或WiFi建立远程连接，借助rpi-connect软件远程访问开发板，极大提高测试效率。远程编程、调试与监控FPGA变得简单直接，节省大量人力成本。 针对FPGA开发应用，基于CM5的系统支持通过USB、JTAG及GPIO等多种通信方式快速部署测试程序。
此外，载板还支持利用FTDI芯片进行SPI和I2C的“位打”（bit banging）操作，为复杂的通信协议模拟提供了灵活手段。其丰富的接口与硬件资源为FPGA原型开发与验证过程提供了坚实基础，加快产品从设计到量产的步伐。 总结来看，利用Raspberry Pi Compute Module 5打造的定制FPGA测试载板，不仅兼具强大的处理能力和丰富的接口选项，更在软硬件整合和开发体验上展现出极高的灵活性和效率。针对嵌入式系统设计难题，CM5与周边载板相辅相成，成功实现了对FPGA复杂功能的控制与验证。随着未来更多硬件资源与FPGA应用场景的拓展，这套方案有望成为行业内成熟且易用的参考平台，助力技术团队创新研发。 对于正在寻求FPGA测试解决方案的工程师和开发者来说，基于CM5的这一定制开发板提供了极具竞争力的选项。
其集成度高、配置灵活且具备完整的软件生态支持，确保测试流程高效且可靠。在推动FPGA应用向更广泛行业渗透的过程中，类似的创新型嵌入式平台设计无疑将发挥重要作用。未来随着CM5硬件性能的持续升级与外围设备的完善，FPGA开发者将拥有更强大的工具链和开发体验，迎来更加多元化和智能化的设计时代。
