如何使用ZYNQ進行嵌入式系統(tǒng)設計

[導讀] 基于ZYNQ實現(xiàn)復雜嵌入式系統(tǒng)非常便利，其應用領域也越來越廣泛，本文來從對ZYNQ芯片架構的理解來談談個人體會。

俯瞰zynq

ZYNQ主要由兩大部分組成：

處理系統(tǒng)PS（Processing System）：上圖左上部分即是PS部分，包括：

同構雙核ARM Cortex A9的對稱多處理器 （Symmetric Multi-Processing，SMP）

豐富的外設，2×SPI，2×I2C，2×CAN，2×UART，2×SDIO，2×USB，2×GigE，GPIO

靜態(tài)存儲控制器：Quad-SPI，NAND，NOR

動態(tài)存儲控制器：DDR3，DDR2，LPDDR2

可編程邏輯PL（Programmable logic）：兼容賽靈思7系列FPGA

基于Artix的芯片：Z-7010以及Z-7020

基于Kintex的芯片：Z-7030以及Z-7045

ZYNQ處理系統(tǒng)端PS所有的外設都連接在AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線，而基于FPGA設計的IP則可以通過AXI接口掛載在AMBA總線上，從而實現(xiàn)內部各組件的互聯(lián)互通。這里涉及到兩個概念：

AMBA總線，熟悉ARM架構的朋友應該都大致了解， AMBA是ARM公司的注冊商標。是一種用于片上系統(tǒng)（SoC）設計中功能塊的連接和管理的開放標準片上互連規(guī)范。它促進了具有總線結構及多控制器或組件的多核處理器設計開發(fā)。自成立以來，AMBA已廣為應用，遠遠超出了微控制器設備領域。如今，AMBA已廣泛用于各種ASIC和SoC部件，包括在現(xiàn)代便攜式移動設備中使用的應用處理器。

高級可擴展接口AXI（Advanced eXtensible Interface）：是ARM公司AMBA 3.0 和AMBA 4.0規(guī)范的一部分，是并行高性能，同步，高頻，多主機，多從機通訊接口，主要設計用于片上通訊。為啥說AXI是AMBA的一部分，看看下面兩個圖就可以比較清晰的了解。

ZYNQ的高度靈活性

靈活的PS端IO復用

Multiplexed I/O (MIO)：PS端外設IO復用，這是什么概念呢？前面介紹了ZYNQ主要分PS/PL兩大組成模塊，PS端前面介紹的外設如USB/CAN/GPIO/UART等都必要需要引腳與外界打交道，這里所謂的復用與常見的單片機、處理器里引腳復用的概念一樣。但是（這里劃重點），ZYNQ具有高達54個PS引腳支持MIO，MIO具有非常高的靈活度以達到靈活配置，這給硬件設計、PCB布板帶來了極大的便利！，MIO的配置利用vivado軟件可以實現(xiàn)靈活配置，如下圖所示。

硬件工程師往往發(fā)現(xiàn)對一個復雜的系統(tǒng)的布局布線，常常會很困難，也常因為不合理的布局布線而陷入EMC深坑。ZYNQ的IO引腳高度靈活性，無疑在電路設計方面提供極大的方便，可實現(xiàn)非常靈活的PCB布局布線。從而在EMC性能改善方面帶來了很大便利。

靈活的PS-PL互連接口

Extended Multiplexed I/O (EMIO):擴展MIO，如果想通過PS來訪問PL又不想浪費AXI總線時，就可以通過EMIO接口來訪問PL。54個I/O中，其中一部分只能用于MIO，大部分可以用于MIO或EMIO，少量引腳只能通過EMIO訪問。

如上圖，比如I2C0則可以通過EMIO映射到PL端的引腳輸出，這無疑又增加了更多的靈活性！

PS-PL接口HP0-HP3：如上架構圖中AXI high-performance slave ports (HP0-HP3) 實現(xiàn)了PS-PL的接口

可配置的32位或64位數(shù)據寬度

只能訪問片上存儲器OCM（On chip memory）和DDR

AXI FIFO接口(AFI)利用1KB FIFOs來緩沖大數(shù)據傳輸

PS-PL接口GP0-GP1：如上架構圖中AXI general-purpose ports

兩個PS主接口連接到PL的兩個從設備

32位數(shù)據寬度

一個連接到CPU內存的64位加速器一致端口（ACP）AXI從接口，ACP 是 SCU （一致性控制單元）上的一個 64 位從機接口，實現(xiàn)從 PL 到 PS 的異步 cache 一致性接入點。ACP 是可以被很多 PL 主機所訪問的，用以實現(xiàn)和 APU 處理器相同的方式訪問存儲子系統(tǒng)。這能達到提升整體性能、改善功耗和簡化軟件的效果。ACP 接口的表現(xiàn)和標準的 AXI 從機接口是一樣的，支持大多數(shù)標準讀和寫的操作而不需要在 PL 部件中加入額外的一致性操作。

DMA, 中斷, 事件信號：

處理器事件總線信號事件信息到CPU

PL外設IP中斷到PS通用中斷控制器(GIC)

四個DMA通道RDY/ACK信號

擴展多路復用I/O (EMIO)允許PS外設端口訪問PL邏輯和設備I/O引腳。

時鐘以及復位信號：

四個PS時鐘帶使能控制連接到PL

四個PS復位信號連接到PL

靈活的時鐘系統(tǒng)

PS時鐘源：

PS端具有4個外部時鐘源引腳

PS端具有3個PLL時鐘模塊

PS端具有4個時鐘源可輸出到PL

PL端具有7個時鐘源

PL端時鐘源域相對PS端不同

PL端時鐘可靈活來自PL端外部引腳，因為FPGA的硬可編程性，完全靈活配置

也可使用PS端的4個時鐘源

注意

PL和PS之間的時鐘同步是由PS端處理

PL不能提供時鐘給PS使用

豐富的IP庫

Zynq 是一種SoC，具有大量的標準 IP，這些部件不再需要重新設計而直接可用。以這樣的方式提升了設計抽象層級，加上重用預先測試和驗證過的部件，開發(fā)將被加速，而成本則可以降低。就像常說的：“ 為什么要重新發(fā)明輪子呢？”。

Vivado內置了大量的IP可供使用，比如數(shù)學計算IP，信號處理IP、圖像視頻處理IP，通信互連（以太網、DDS、調制、軟件無線電、錯誤校驗）、處理器IP（MicroBlaze等）、甚至人工智能算法IP。

比如信號處理IP，由于采用FPGA硬邏輯實現(xiàn)信號處理無需CPU計算，對于實現(xiàn)復雜的信號運算（比如實現(xiàn)一個非常高階的FIR濾波、多點FFT計算）具有非常大優(yōu)勢。

雙ARM硬核處理器

如架構圖，ZYNQ內置了雙ARM Cortex-A9硬核，對軟件設計提供了極大的靈活性，在該處理器上可運行Linux,Android等復雜的操作系統(tǒng)，相比常規(guī)FPGA嵌軟核IP的做法具有更強大的運算處理能力，你可能會說其處理器的運算能力相比時下的其他ARM芯片或稍有不足，但基本能滿足常規(guī)的醫(yī)療、工業(yè)領域等嵌入式系統(tǒng)應用需求。

PL/PS的有機結合

通過前面的簡要分析介紹，不難發(fā)現(xiàn)PL可編程硬件邏輯及處理器單元的結合做的非常好。

PL端：可設計出高靈活的外設系統(tǒng)，同時可編程硬件邏輯電路，可實現(xiàn)真正的硬并行處理、硬實時系統(tǒng)

PS端：PL端與PS的有機結合，有可實現(xiàn)對這種高靈活、硬并行、硬實時處理系統(tǒng)實現(xiàn)集中軟件管理

試想，如果一個系統(tǒng)需要實現(xiàn)硬實時、硬并行，復雜外設互連系統(tǒng)：

或許會采用多微控制器（比如單片機）+處理器方案，微處理器實現(xiàn)實時需求，處理器運行Linux實現(xiàn)上層業(yè)務邏輯的方式。

或者采用FPGA+處理器來實現(xiàn)。

這兩種方案技術復雜度都非常高，硬件電路PCB設計比較復雜，軟件開發(fā)以及維護也會增加復雜度。而ZYNQ則可以很好的解決此類系統(tǒng)設計需求，真正做到system on chip，這也是SOC的一個很好的體現(xiàn)。

總結一下

ZYNQ這種高度靈活性，豐富的外設，豐富的IP庫，以及vivado強大易用的開發(fā)環(huán)境，對使用ZYNQ進行嵌入式系統(tǒng)設計帶來了非常多優(yōu)勢。