前言

在边缘计算和物联网技术蓬勃发展的今天，香橙派鲲鹏Pro开发板以其国产高性能处理器与丰富接口成为嵌入式开发新宠，而FPGA凭借硬件可编程特性为加速计算提供无限可能。

本文将深入解析两者核心特性，并通过完整LED案例演示硬件开发全流程，为开发者提供一站式实战参考。

一、香橙派鲲鹏Pro开发板

1.1 香橙派鲲鹏Pro开发板介绍

香橙派鲲鹏Pro开发板是香橙派联合华为精心打造的高性能开发板，香橙派鲲鹏Pro开发板结合了鲲鹏全栈根技术，全面使能高校计算机系统教学和原生开发。同时支持ARM+FOGA，从数字逻辑设计，操作系统和编译原理，再到嵌入式开发，可以基于同一套体系结构和开发板实现贯穿打通。

1.1.1 核心特点

• 硬件配置强劲

• 处理器：4核64位ARM处理器 + 集成AI处理器，提供8TOPS INT8算力，支持复杂AI推理任务
• 内存：8GB/16GB LPDDR4X，满足高性能计算需求
• 存储：支持Micro SD卡、eMMC模块（最高256GB）、M.2 NVMe/SATA SSD（2280规格），兼顾灵活性与扩展性
• 接口丰富：

• 双HDMI（支持双4K输出）、2×USB 3.0、Type-C（供电/数据）、千兆网口、双MIPI摄像头接口、40针GPIO（兼容树莓派）
• 预留电池接口、风扇接口，支持移动场景和散热优化

• 软件生态完善

• 预装openEuler操作系统（华为开源Linux发行版），支持GNOME桌面、Firefox、VSCode等工具
• 原生支持鲲鹏开发套件（DevKit） 和openGauss数据库，提供从编译、调试到AI模型部署的全流程开发环境

1.1.2 主要用途

• AI开发与推理

• 适用于计算机视觉（如目标检测、图像分割）、自然语言处理等AI模型的原型验证和边缘部署。实测在YOLOv5实时目标检测、HDR图像增强等任务中流畅性超越Jetson Nano
• 支持TensorFlow、PyTorch等框架，提供Jupyter Lab环境简化开发流程

• 教育与科研

• 结合FPGA+ARM架构（需搭配香橙派MSOC扩展板），可贯穿计算机体系结构、数字逻辑设计、操作系统等课程实验
• 高校可通过开发板实现从硬件到软件的全栈教学，降低学习门槛

• 边缘计算与嵌入式应用

• 为物联网（IoT）、工业控制、智能网关等场景提供高性能边缘算力，支持传感器数据实时处理与响应
• 支持OpenCV、ROS等机器人开发工具，适用于自动化控制项目

• 云计算与分布式系统

• 支持分布式存储、高性能计算（HPC） 等场景，可作为轻量级服务器节点

1.2 香橙派鲲鹏Pro开发板接口详情图

1.2.1 顶层视图

顶层（正面）主要零件：

• 核心处理器

• 鲲鹏处理器：4核64位ARM架构 + AI协处理器（集成GPU），提供8TOPS INT8算力（AI任务核心）

• 接口与扩展

• 显示输出：2×HDMI 2.0（支持双4K@60Hz输出）、1×MIPI DSI（用于连接显示屏）
• 摄像头接口：2×MIPI CSI（兼容树莓派摄像头，支持双摄像头输入）
• USB接口：2×USB 3.0 Host、1×Type-C（仅支持USB 3.0数据传输）
• 网络模块：千兆以太网口（PHY芯片：RTL8211F）、双频Wi-Fi 5（2.4G/5G）+蓝牙4.2（模组：欧智通6221BUUC）
• 音频：3.5mm耳机孔（支持音频输入/输出）
• 40Pin扩展口：兼容树莓派GPIO，支持UART、I2C、SPI、PWM等协议

• 控制与调试

• 物理按键：关机键、复位键（RESET）、烧录按键
• LED指示灯：电源指示灯（红色）、软件可控状态灯（绿色）
• 调试串口：Micro USB接口（用于串口打印调试）

• 供电与散热

• 电源接口：Type-C PD 20V（支持65W快充）
• 风扇接口：4pin PWM控制（支持12V散热风扇）
• 电池接口：2pin（可连接3串电池，支持移动供电）

1.2.2 底层视图

底层（背面）主要零件：

• 存储模块

• 256Mbit SPI Flash：板载32MB（用于固件存储）
• Micro SD卡槽：支持Micro SD卡扩展（预装系统镜像）
• eMMC插座：可外接32GB~256GB eMMC模块（高速存储）
• M.2 M-Key接口：支持2280规格的NVMe/SATA SSD（PCIe x4通道）

• 控制与配置

• 启动拨码开关：2个启动方式拨码开关（BOOT1/BOOT2），用于切换启动源（SSD/eMMC/Micro SD卡）
• 核心电源管理：充电IC、CPU主控电源IC（确保稳定供电）

• 结构设计

• 固定螺母：M.2 SSD安装位（2280规格）
• 散热设计：背面预留空间配合风扇，避免核心芯片过热（需注意安装方向以免遮挡散热）

1.3 香橙派鲲鹏Pro开发板推荐配件和硬件参数

1.3.1 推荐配件清单

1.3.2 核心硬件参数

• 处理器

• CPU：4核64位ARM处理器（主频1.6GHz）

• 内存与存储

• 内存：8GB/16GB LPDDR4X（3200Mbps）
• 存储扩展：

• 板载32MB SPI Flash（固件存储）
• Micro SD卡槽（支持≥32GB）
• eMMC插座（支持32GB/64GB/128GB/256GB eMMC 5.1模块）
• M.2 M-Key接口（支持2280规格NVMe/SATA SSD，PCIe x4通道）

• 接口与扩展

• 显示输出：2×HDMI 2.0（双4K）、1×MIPI DSI（接显示屏）、1×3.5mm 耳机接口（支持音频播放和录音）
• 摄像头：2×MIPI CSI（兼容树莓派摄像头）
• USB：1×USB 3.0 Type-A、1×USB 2.0 Type-A、1×USB 3.0 Type-C
• 网络：1×千兆网口、双频Wi-Fi 5（2.4G/5G）+蓝牙4.2
• 扩展口：40Pin GPIO（兼容树莓派，支持UART/I2C/SPI/PWM）
• 调试接口：1×Micro USB（调试串口）

• 电源与散热

• 供电：Type-C PD 20V（需65W电源）
• 散热：1×风扇接口
• 移动供电：1×2Pin电池接口

• 功能按键

• 按键：1个复位键，1个关机键，1个烧录键
• 拨码开关：2个拨码开关，用于控制SD卡，eMMC和SSD启动选项

1.3.3 区分FPGA开发板型号

• 硬件版本号

• 鉴别方式： 查看开发板背面GPIO接口附近的丝印标识（如"Kunpeng Pro V1.2"）

• USB接口颜色

• 鉴别方式：白色为V1.2版本，蓝色为V1.1版本
  

1.4 香橙派鲲鹏Pro开发板资料下载说明

拿到香橙派鲲鹏Pro开发板之后，可以把资料下载下来。通过这些资料，可以熟悉开发板的使用。开发板的资料放在了香橙派官网。

进入网站之后，找到导航栏中的【服务与下载】，点击下拉中的【下载】进入开发板的下载页面。

下载页面提供了多种开发板，找到【OrangePi Kunpeng Pro】入口，点击进入之后，便可以看到鲲鹏Pro开发板所有资料。其中，用户手册包括详细的参数介绍和使用介绍，它是必读的。linux源码下载之后，可以用于深入研究或者二次开发。

二、香橙派鲲鹏Pro开发板镜像烧录和登录方法介绍

2.1 香橙派鲲鹏Pro开发板烧录镜像需要准备的配件

开发板支持三种启动方式，分别是：

• Micro SD卡启动：需通过读卡器将系统镜像（如openEuler/Ubuntu）烧录至SD卡，插入开发板Micro SD卡槽
• eMMC启动：eMMC需预先格式化为ext4文件系统，并通过开发板背面的eMMC插座安装
• SATA SSD和NVMe SSD启动：需插入M.2 M-Key接口（支持2280规格），建议搭配散热片使用

下面，以Micro SD卡启动方式介绍一下香橙派鲲鹏Pro开发板镜像怎么烧录。

烧录之前，我们首先要准备以下配件：

2.2 香橙派鲲鹏Pro开发板烧录镜像的方法

以下是香橙派鲲鹏Pro开发板烧录镜像的详细步骤：

• 第1步：打开balenaEtcher ，下载烧录软件
• 第2步：下载开发板镜像
• 第3步：Micro SD卡插入读卡器，再将读卡器插入电脑并开始制卡

烧录过程中，会显示进度条。

烧录完成之后，软件可以验证烧录的东西是否有问题。验证通过之后，会显示烧录成功。

此时，我们可以拔下Micro SD卡，把Micro SD卡插到开发板中启动。

启动前，需要注意开发板拨码开关的设置。拨码开关的两个BOOT都可以设置左或右。Micro SD卡启动，需要将拨码开关设为 BOOT1=右, BOOT2=右。

2.3 香橙派鲲鹏Pro开发板的登录方式

开发板启动之后，我们面临登录的问题。

香橙派鲲鹏Pro开发板的登录方式主要有以下三种。

2.3.1 本机显示登录方式

使用开发板直连显示器、鼠标、键盘，启动后，可直接使用键盘与鼠标在显示器中的图形化桌面进行操作。

• 配件准备

• HDMI线（连接开发板HDMI0接口与显示器）
• USB键盘/鼠标
• 支持HDMI输入的显示器

• 操作步骤

• 开发板插入已烧录镜像的Micro SD卡（或eMMC/SSD），启动电源
• 通过HDMI线连接显示器，等待系统加载完成
• 输入默认账户密码：

• openEuler系统：用户名 openEuler，密码 openEuler
• Ubuntu系统：用户名 HwHiAiUser，密码 Mind@123

2.3.2 串口方式登录

使用开发板上的串口连接PC，启动后，可在PC上通过串口软件登录开发板。

• 配件准备

• Micro USB转串口线（带FTDI芯片，非普通充电线）
• 电脑（安装串口工具如MobaXterm、SecureCRT）

• 操作步骤

• Micro USB线连接开发板调试口与电脑USB口
• 电脑端打开串口工具（如MobaXterm），选择对应串口号
• 设置参数：波特率115200，数据位8，停止位1，无校验
• 开发板上电，终端显示启动日志，输入用户名密码登录

2.3.3 ssh远程登录方式

1、使用网线连接开发板和PC，操作流程如下：

• 网线插入开发板以太网口，启动电源
• 登录路由器后台查看开发板IP，或通过串口执行 ifconfig 获取IP
• 电脑端SSH工具（如MobaXterm）远程登录开发板

2、开发板使用网线连接路由器，PC连接相同路由器，启动开发板后PC通过SSH工具远程登录开发板。

3、开发板使用wifi连接路由器，PC连接相同路由器，启动开发板后PC通过SSH工具远程登录开发板。

三、FPGA开发板介绍

3.1 FPGA介绍

FPGA（现场可编程门阵列）开发板是为验证和部署FPGA芯片设计的硬件平台，集成了FPGA芯片、电源管理、存储、外设接口等模块，支持用户通过编程实现定制化数字逻辑功能。其核心价值在于：

• 硬件可重构性：无需更换硬件即可动态修改电路功能，加速迭代
• 并行处理能力：相比CPU/GPU，更适合高速数据流处理（如实时图像分析、通信协议处理）
• 低延迟与能效优化：在特定任务（如加密算法、电机控制）中功耗低于通用处理器

3.2 FPGA接口详情

FPGA开发板的顶层和底层是硬件设计的核心部分，分别承担不同的功能模块。

3.2.1 顶层视图

顶层是用户直接交互的界面，集中了核心芯片、接口及交互元件：

• FPGA主芯片

• 功能：可编程逻辑核心，实现数字电路功能（如Cyclone 10、Cyclone IV等型号）
• 位置：通常位于板中心，配备散热焊盘或散热器

• 用户交互元件

• LED指示灯：状态显示（如电源、调试状态）。
• 按钮/开关：拨码开关（设置启动模式）、自定义按键
• 数码管：2*4位数码管，用于数据可视化。
• Recovery键：强制FPGA重新加载SPI Flash中的默认比特流，解决运行时逻辑错误

• 通信与扩展接口

• USB接口：用于供电、数据传输或串口调试
• USB转JTAG & UART：

• JTAG模式：烧录比特流至FPGA，实时调试逻辑信号（如Vivado ChipScope）
• UART模式：串口通信（波特率115200），输出系统日志或控制终端

• 存储设备

• 2GB LPDDR3内存：用于图像处理、通信协议栈的实时缓存（如DDR3控制器突发传输优化）
• SDRAM：同步动态内存，用于高速数据缓存（如MT48LC16M16A2TG）

3.2.2 底层（Bottom Layer）关键零件

底层负责供电、时钟管理及基础电路，需通过PCB层叠设计优化信号完整性：

• USB转JTAG & UART：

• JTAG模式：烧录比特流至FPGA，实时调试逻辑信号（如Vivado ChipScope）
• UART模式：串口通信（波特率115200），输出系统日志或控制终端

• 128Mbit SPI Flash：FPGA断电后逻辑配置丢失，SPI Flash保存比特流文件（.bit），系统上电时自动加载到FPGA，恢复预设功能

四、FPGA IDE

4.1 FPGA IDE介绍

使用IDE可以完成FPGA软件的基本开发过程，包括创建工程、分析综合、物理约束、布局布线、板级验证和程序固化等。

该IDE是高云半导体（Gowin）为香橙派MSOC FPGA（型号GW5AT-138PG484A）定制的开发工具链，预装在OpenEuler系统的/opt/gowin目录下。

主要支持：

• 全流程开发：从HDL编码→逻辑综合→布局布线→生成比特流文件（.fs）
• 混合架构开发：支持ARM Cortex-M4或RISC-V软核与FPGA逻辑协同设计（需搭配鲲鹏Pro的处理器）
• 硬件调试：通过M.2接口的JTAG通道实现信号抓取与实时监控

4.2 设置License

第一次使用会提示需要验证License。

点击验证弹窗上的OK后会弹出选择License文件弹窗，需要找到License路径，进行关联。

check通过后会给出提示，再点击OK，然后点击Save保存即可。

保存成功显示完成提示，然后点击OK即可。

关联的License文件需要去官网申请，申请步骤如下：

• 点击申请 License跳转至高云官网；
• 填写公司/学校名称、电话、license类型、操作系统类型等信息；
• 提交后邮箱接收.lic文件。

4.3 FPGA LED灯说明

FPGA开发板上总共有16个可编程LED。

• 物理结构

• LED类型：多为贴片式单色（红/绿/黄）或RGB LED，工作电流5-20mA，需串联限流电阻（如3.3V电源下约130Ω）
• 驱动模式：

• 共阳型：LED正极接电源，负极接FPGA引脚（低电平点亮）
• 共阴型：LED负极接地，正极接FPGA引脚（高电平点亮）

• 引脚映射

• 每个LED独立连接至FPGA的GPIO引脚，典型映射示例如下（具体需参考开发板原理图）：

LED 8-15映射逻辑类似，引脚名可能为led[8]至led[15]。

如下图所示，便是这些LED的位置及其在原理图中的参考名称，以及FPGA中对应的引脚名。

五、FPGA LED案例演示

5.1 FPGA IDE打开LED案例

5.1.1 新建工程

• 启动IDE
• 创建新工程

• 选择 File → New Project Wizard（Quartus）或 Create Project（Vivado）
• 设置工程名称（如led_blink）和存储路径（避免中文或空格）

• 选择器件型号

• 根据开发板FPGA型号选择（如Cyclone IV EP4CE10F17C8N、Kintex-7 xc7k325t等）

5.1.2 添加LED案例代码

• 新建设计文件

• 选择 File → New → Verilog HDL File（或VHDL）

• 保存文件

• 文件名需与顶层模块名一致（如led_blink.v）

5.1.3 闪烁灯

功能为每隔一秒钟将LED灯的状态反转一下，实际看到的效果为，每隔一秒钟就能看到LED灯点亮或熄灭。从而达到循环闪烁的效果。

5.2 物理约束

打开物理约束的方法有两种：

• 方法一：通过 Process，点击FloorPanner，打开物理约束的配置界面
• 方法二：点击工具栏的网格图标，快速打开物理约束的配置界面

接下来，重点介绍IO约束。

首先要了解程序中定义了哪些端口，将这些端口和FPGA的引脚一一对应起来。FPGA的引脚可以从原理图中获得。

一一对应好之后，就可以生成比特流文件了。

5.3 生成比特流文件

• 综合与布局布线

• 点击 Process → Run All，确保无报错（检查日志中的引脚绑定状态）

• 生成比特流

• 输出文件：.fs或.bit格式（默认在工程目录下）

• 下载程序

• 通过下载按钮，打开编程下载器，下载程序
• 识别正常之后，点击保存

• 烧录到FPGA

• 连接JTAG调试器（如Gowin编程器）到开发板的JTAG接口
• 在IDE中：Tools → Program Device → 选择比特流文件 → 点击 Program

5.4 板级验证

程序烧录完成之后，会自动运行。

预期现象：16个LED以1秒的间隔循环点亮。

失败排查：

总结

香橙派鲲鹏Pro开发板凭借国产高性能处理器与工业级扩展能力，为边缘计算提供坚实底座；而FPGA通过硬件并行加速和动态重构特性，在实时信号处理等领域展现独特优势。

本文从香橙派鲲鹏Pro开发板介绍到FPGA LED案例实战，揭示了软硬协同开发的完整路径。掌握这两大技术利器，将助力开发者在智能硬件、工业自动化等前沿领域快速实现创新突破。

本文参与华为云社区【内容共创】活动第28期。

任务2：计算机核心课程贯通式实践教学体系介绍