Vivado中進(jìn)行ZYNQ硬件部分設(shè)計(jì)方案

ZYNQ概述

ZYNQ內(nèi)部包含PS和PL兩部分，PS中包含以下4個(gè)主要功能模塊：

• Application processor unit (APU)
• Memory interfaces
• I/O peripherals (IOP)
• Interconnect

ZYNQ內(nèi)部的總體框架如所示，PS中包含2個(gè)ARM Cortex-9的內(nèi)核，一些基本的外設(shè)擴(kuò)展口以及Memory接口。PS和PL的相互通信通過兩個(gè)通路完成，分別是GP（General Purpose）Ports和HP（High Performance）Ports。

GP Ports包含2個(gè)Master接口和2個(gè)Slave接口，符合標(biāo)準(zhǔn)的AXI協(xié)議數(shù)據(jù)位寬是32bit。HP Ports包含4個(gè)接口，全部是PL作為Master；有兩個(gè)專用的連接到DDR Controller的接口和一個(gè)連接到OCM的接口。HP與GP相比，最大的特點(diǎn)在于有額外的FIFO作為Buffer，可以提高傳輸效率和數(shù)據(jù)吞吐量。

所以從功能角度，GP Ports主要用于寄存器的讀寫以及小數(shù)據(jù)量的傳輸；HP Ports用于大量數(shù)據(jù)的傳輸，主要是Memory數(shù)據(jù)的讀寫。

ZYNQ中最常用的設(shè)計(jì)思路是將主程序放在PS中完成，在PL中設(shè)計(jì)相應(yīng)的邏輯功能作為PS的外設(shè)使用，將邏輯設(shè)計(jì)封裝成IP，且每個(gè)IP都包含一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的AXI-Lite接口。PS對于邏輯設(shè)計(jì)的控制是通過控制邏輯設(shè)計(jì)的功能寄存器，進(jìn)而控制邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)將工作情況通過狀態(tài)寄存器返回給PS端。如果邏輯設(shè)計(jì)與PS端需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的交互，則會(huì)在邏輯設(shè)計(jì)中增加AXI-Full接口，與PS的HP Port相連。

綜上，ZYNQ設(shè)計(jì)的基本流程包含以下步驟：

1. Vivado中搭建ZYNQ平臺(tái)，完成基本外設(shè)控制。
2. 創(chuàng)建邏輯設(shè)計(jì)，并封裝成IP。
3. ZYNQ設(shè)計(jì)中調(diào)用封裝的IP。
4. 對設(shè)計(jì)的IP進(jìn)行仿真。

ZYBO開發(fā)板簡介

ZYBO是Digilent開發(fā)的以XC7Z010-1CLG400C為核心處理器的開發(fā)板，其主要功能包括有：

• 1片32bit位寬，512MB容量的 DDR3
• 1個(gè) HDMI port
• 1個(gè)VGA source port
• 1個(gè)(1Gbit/100Mbit/10Mbit) Ethernet PHY 與RJ45接口
• 1個(gè)MicroSD slot
• 1個(gè)OTG USB 2.0 PHY
• 1個(gè)外部 EEPROM
• 1個(gè)耳機(jī)輸出接口和1個(gè)麥克風(fēng)輸入接口
• 1片128Mb QSPI Flash作為加載Flash
• 1個(gè)JTAG接口和1個(gè)USB-Converter下載接口
• GPIO: 6 pushbuttons, 4 slide switches, 5 LEDs
• 6個(gè) Pmod ports

其板上器件分布情況如圖 2和圖 3所示。

Vivado中進(jìn)行ZYNQ硬件部分設(shè)計(jì)

Step1: Viavdo中選擇XC7Z010-1CLG400器件，建立工程。

Step2: 建立Block Design。

Step3: 加入ZYNQ7 Processing System和其他所需要的外設(shè)IP。

點(diǎn)擊“Add IP”，加入ZYNQ7 Processing System和AXI GPIO，雙擊IP可以對其進(jìn)行配置。該實(shí)驗(yàn)中ZYNQ7配置使能UART，引腳為MIO48和49，其ZYBO相關(guān)電路圖如圖 5所示。（注：如果需要在Step11中選擇Hello World工程，則需要使能UART）。AXI GPIO的位寬設(shè)置為4，其余為默認(rèn)配置。

注意：這里有個(gè)地方非常容易出錯(cuò)。在Vivado建立工程選擇器件的過程中沒有選擇ZYBO開發(fā)板的配置，而是直接選擇的XC7Z010-1CLG400C器件的配置。系統(tǒng)默認(rèn)的ZYNQ7 Processing System配置中Input Clock Frequency是33.3333MHz，而ZYBO板上為50MHz。此處必須修改過來，否則后面的系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)完全錯(cuò)亂，導(dǎo)致軟件工程無法運(yùn)行。

Step4: 點(diǎn)擊“Run Block Automation”，其作用是完成ZYNQ7 Processing System專用引腳的連接，包括FIXED_IO和DDR引腳的連接。

Step5: 點(diǎn)擊“Run Connection Automation”，其作用是自動(dòng)完成ZYNQ與外設(shè)的連接，連接是按照工具對于用戶所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的理解，如果需要進(jìn)行修改，可以手動(dòng)更改Block中的連線。該操作工具會(huì)默認(rèn)增加：

1. AXI interconnect
2. Processor System Reset
3. 自動(dòng)完成了外設(shè)IP的AXI-Lite端口與ZYNQ7 Processing System的連接，默認(rèn)接法是ZYNQ的FCLK_CLK0作為外設(shè)AXI時(shí)鐘，Processor System Reset產(chǎn)生外設(shè)復(fù)位信號連接到所有外設(shè)的復(fù)位端口。
4. 將AXI GPIO的引腳引出。

可以使用“Regenerate Layout”，重新布局Block Design。

Step6: 在“Address Editor”中查看、修改外設(shè)在總線上的地址。

Step7: 首先在Block design界面右擊彈出的菜單中點(diǎn)擊Validate Design，以驗(yàn)證Block Design的設(shè)計(jì)和連接是否有錯(cuò)誤。至此Block Design完成了，但是還需要根據(jù)Block Design的配置生成相應(yīng)的源代碼。右擊.bd設(shè)計(jì)，并選擇“Create HDL Wrapper”。隨后即生成了相應(yīng)的HDL代碼。

Step8: 對于PL端的外接引腳，需要設(shè)置相應(yīng)的Constraints。

Step9: 與普通FPGA設(shè)計(jì)一樣，完成Synthesis、Implementation和Generate Bitstream。

Step10: 將Step9中完成的硬件設(shè)計(jì)導(dǎo)入到SDK開發(fā)平臺(tái)下。

Step11: 從這一步開始，開發(fā)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到SDK平臺(tái)。此時(shí)硬件平臺(tái)已經(jīng)確定，接下來是軟件的開發(fā)。首先在SDK中建立軟件工程。

Step12: 在新建工程中完成C代碼的設(shè)計(jì)。

#include
#include
#include "xparameters.h"
#include "sleep.h"
#include "platform.h"

int main()
{
XGpio output;
int Status;
/*
* Initialize the GPIO driver so that it's ready to use,
* specify the device ID that is generated in xparameters.h
*/
Status = XGpio_Initialize(&output, XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/* Set the direction for all signals to be outputs */
XGpio_SetDataDirection(&output, 1, 0x0);
init_platform();
while(1){
usleep(200000); //delay
XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0x0);
usleep(200000); //delay
XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0xF);
};
cleanup_platform();
return 0;
}

Step13: 首先點(diǎn)擊“Program FPGA”，將硬件平臺(tái)下載到ZYNQ中。

Step14: 運(yùn)行軟件工程進(jìn)行調(diào)試。

在ZYBO板上也能看到LED燈閃爍，至此完成了ZYNQ的一個(gè)基本設(shè)計(jì)的所有開發(fā)流程。

DK中進(jìn)行ZYNQ軟件部分設(shè)計(jì)

首先對“Vivado中進(jìn)行ZYNQ硬件部分設(shè)計(jì)”中讓LED閃爍的C代碼做詳細(xì)的注釋。

int main()

{

/*定義外設(shè)對于的類型指針，用于綁定外設(shè)，便于后面程序調(diào)用時(shí)選擇

* 外設(shè)

*/

XGpio output;

int Status;

/* XGpio_Initialize()函數(shù)是xgpio.c中的函數(shù)，在BSP Documentation可以

* 查到該函數(shù)的描述。

* int XGpio_Initialize(XGpio * InstancePtr, u16 DeviceId)

* InstancePtr為GPIO類型的指針

* DeviceId是在板級配置中已經(jīng)定義好的外設(shè)的ID，該定義包含在BSP的xparameters.h中

* 即在xparameters.h已經(jīng)為該硬件設(shè)計(jì)中的每一種類型的多個(gè)外設(shè)設(shè)置了唯一的ID

* 例如設(shè)計(jì)中如果有2個(gè)GPIO外設(shè)，則ID分別為0和1.

* 該語句完成之后將ID對應(yīng)的外設(shè)對象與該指針進(jìn)行了綁定，后面可以通過調(diào)用該指針指

* 定到該外設(shè)

*/

Status = XGpio_Initialize(&output, XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID);

if (Status != XST_SUCCESS) {

return XST_FAILURE;

}

/* void XGpio_SetDataDirection (XGpio * InstancePtr,

* unsigned Channel,u32 DirectionMask )

* InstancePtr：外設(shè)指針，用于指定到對應(yīng)的外設(shè)設(shè)備，已經(jīng)與外設(shè)綁定

* Channel: 每個(gè)AXI_GPIO中可以有兩個(gè)32bit的GPIO端口，該參數(shù)用來

* 選擇是該外設(shè)中的哪一個(gè)端口

* DirectionMask：選擇GPIO的方向，0為output，1為input

* 該函數(shù)的作用是設(shè)置GPIO的方向，如前所述，可以通過output指定到

* 該GPIO外設(shè)，

*/

XGpio_SetDataDirection(&output, 1, 0x0);

//初始化ARM內(nèi)核

init_platform();

while(1){

usleep(200000); //delay

XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0x0);

usleep(200000); //delay

XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0xF);

};

cleanup_platform();

return 0;

}

以上調(diào)用的這些函數(shù)，其定義及使用方法全部可以在BSP（Board Support Package）板級支持包中找到。當(dāng)在Vivado平臺(tái)中設(shè)計(jì)完成硬件，將其導(dǎo)入到SDK平臺(tái)時(shí)，工具會(huì)根據(jù)硬件設(shè)計(jì)中使用到的外設(shè)，自動(dòng)生成相應(yīng)的板級支持包。在SDK的“Project Explorer”界面中可以查看，并且可以在其中打開相應(yīng)的BSP說明文檔，如圖 18所示。

但是雖然BSP中提供了所有相關(guān)的API函數(shù)，但是對于初學(xué)者來說，想搭建一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)基本功能的平臺(tái)還是有些困難。于是另一個(gè)方法是利用SDK生成新的Application時(shí)提供的Peripheral Test模板。

該模板生成的代碼中，在主函數(shù)中找到相應(yīng)外設(shè)的測試函數(shù)，例如本例中GPIO的測試函數(shù)“GpioOutputExample()”，再通過追述該函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，可以一定程度上作為最基本的范例代碼。

如果再進(jìn)一步深入到ARM編程的本質(zhì)，其實(shí)與硬件的所有控制和通信都是依靠讀寫底層的寄存器來完成的。例如如果查看一下“XGpio_SetDataDirection()”函數(shù)的底層實(shí)現(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)逐級調(diào)用的分別是“XGpio_WriteReg()”函數(shù)和“XGpio_Out32()”函數(shù)，而“XGpio_Out32()”調(diào)用的是“Xil_Out32()”。 其實(shí)“Xil_Out32()”和“Xil_In32()”這兩個(gè)函數(shù)分別是寫讀底層硬件寄存器的兩個(gè)函數(shù)，所有的上層與底層的寄存器級別的通信，也就是絕大多數(shù)的外設(shè)控制，都是依靠這兩個(gè)函數(shù)完成的。