了解基于Zynq的嵌入式系統(tǒng)的研究

? ? ? ?針對傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)教學(xué)中的問題，提出將Zynq平臺作為嵌入式系統(tǒng)的教學(xué)改革實踐平臺。采用全新的課程體系結(jié)構(gòu)，以工程實踐訓(xùn)練為導(dǎo)向，驅(qū)動學(xué)生自主完成課程學(xué)習(xí)和實踐活動。教學(xué)實踐表明，基于Zynq平臺完成嵌入式系統(tǒng)設(shè)計是非常重要的。它不僅鞏固了學(xué)生的基礎(chǔ)理論，而且培養(yǎng)了學(xué)生的工程實踐能力，同時提高了學(xué)生整體嵌入式系統(tǒng)開發(fā)能力。

1 課程改革提出的背景
隨著大量的IP（Intellectual Property）組件被集成到SOC （All Programmable SOC）上，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計越來越復(fù)雜。同時，隨著設(shè)計工具、設(shè)計方法的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)中軟件和硬件的界限已經(jīng)很模糊。然而，傳統(tǒng)的ARM嵌入式系統(tǒng)課程理論高度分散，結(jié)構(gòu)不斷更新。學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大，難以在短時間內(nèi)形成一個簡單明確的知識體系。隨著大數(shù)據(jù)、智能物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，未來的嵌入式系統(tǒng)“軟件”和“硬件”將根據(jù)應(yīng)用的要求，變成一個全面可編程的系統(tǒng)。整個系統(tǒng)將在單芯片內(nèi)按照特定的需求來設(shè)計硬件平臺和軟件應(yīng)用。這種全面可編程的實現(xiàn)過程，充分體現(xiàn)了軟件串行執(zhí)行和硬件邏輯并行執(zhí)行的完美結(jié)合、軟件和硬件的協(xié)同調(diào)試、軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計。 為了培養(yǎng)全面可編程的嵌入式工程師，本文結(jié)合我系開設(shè)“片上系統(tǒng)設(shè)計”的教學(xué)與實踐經(jīng)驗，提出幾點基于Zynq的嵌入式系統(tǒng)教學(xué)改革措施。

2 課程改革的具體措施
2.1 創(chuàng)新的教學(xué)平臺
Zynq 是一款基于Xilinx Zynq-7000 AP SOC平臺的低成本開發(fā)板。這款開發(fā)板可以實現(xiàn)基于Linux, Android, Windows or other OS/RTOS操作系統(tǒng)的設(shè)計。此外，開發(fā)板上豐富的擴(kuò)展接口使得用戶可以方便的訪問可編程邏輯和處理器系統(tǒng)。Zynq-7000器件是最新半導(dǎo)體技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的一個結(jié)合體。它將基于兩個ARM Cortex-A9處理器的快速處理器系統(tǒng)與業(yè)界速度最快、最高級的 28nm FPGA 架構(gòu)相結(jié)合，搭配多個高速串行收發(fā)器以及包含兩個每秒 100 萬次采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的片上模擬處理模塊。Zynq-7000 AP SOC 的核心是雙核硬化實現(xiàn)的 ARM Cortex-A9微處理器。

兩個ARM Cortex-A9處理器之間通過AXI (Advanced eXtensible Interface) 的互聯(lián)機(jī)制與片上存儲器、SDRAM和閃存存儲器以及外設(shè)模塊進(jìn)行通信，這些硬化模塊構(gòu)成了Zynq-7000 AP SOC 處理器系統(tǒng)部分，即PS（Processing System）。每個 CPU 都是一個 Cortex A9 處理器，帶有專門的 NEON 協(xié)處理器（媒體和信號處理架構(gòu)，增加了面向音頻、視頻、3D 圖形、影像和語言處理的指令）和雙精度浮點單元。片上PS通過多個AXI 端口連接到 Zynq 器件的片上可編程邏輯，即 PL（Programmable Logic）。在Zynq架構(gòu)的兩大關(guān)鍵組件之間形成了極為高效的耦合?？删幊踢壿嬁捎捎脩襞渲茫⑼ㄟ^“互連”模塊連接在一起，從而可提供用戶定義的任意功能，以擴(kuò)展處理器系統(tǒng)的性能和功能。一系列互連模塊相互配合，可根據(jù)應(yīng)用需求在邏輯模塊間路由信號?？删幊踢壿嬡浖ぞ呖蓪?RTL 應(yīng)用編譯到位文件中，然后將該文件載入可編程邏輯中用以配置可編程邏輯的功能。

Zynq-7000 AP SOC平臺是非常好的教學(xué)實踐平臺。作為教學(xué)平臺，學(xué)生可以在這個平臺上實現(xiàn)全過程的嵌入式系統(tǒng)課程教學(xué)，學(xué)生可以清楚的看到每個實現(xiàn)的具體過程。這樣，學(xué)生才可以真正的理解嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)涵。同時，學(xué)生在利用該平臺開發(fā)嵌入式應(yīng)用的時候，可以進(jìn)一步的提高嵌入式系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

2.2 創(chuàng)新的課程體系結(jié)構(gòu)
為了培養(yǎng)全面可編程的嵌入式工程師，我們選用Zynq開發(fā)板作為教學(xué)平臺，采用了全新的課程體系結(jié)構(gòu)，即涵蓋課程講座、基礎(chǔ)知識、基本技能、項目實訓(xùn)、拓展訓(xùn)練五大模塊，新的體系結(jié)構(gòu)注重學(xué)生工程訓(xùn)練和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。