Zynq-7000為何不是FPGA？

今天給大俠帶來Xilinx ZYNQ 動手實操演練，話不多說，上貨。當(dāng)我們一提到?Xilinx ZYNQ，大家腦海大多數(shù)就會浮現(xiàn)一個描述的詞匯，高端，其實這個詞很貼切的形容了Zynq系列產(chǎn)品，Xilinx （賽靈思公司）推出的行業(yè)第一個可擴(kuò)展處理平臺Zynq系列，旨在為視頻監(jiān)視、汽車駕駛員輔助以及工廠自動化等高端嵌入式應(yīng)用提供所需的處理與計算性能水平。 ? ? ?

名稱的由來

Zynq這個詞很容易讓人聯(lián)想到zinc，也就是電池、日光屏、合金制品和藥品中最常見的化學(xué)元素鋅。鋅與其他金屬的合金可實現(xiàn)增強(qiáng)型功能，根據(jù)合金的不同對象表現(xiàn)為不同的色彩。鋅最常見的用途就是電鍍。那么這個名稱與電鍍之間有什么聯(lián)系？

在2010年4月硅谷舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，賽靈思發(fā)布了可擴(kuò)展處理平臺的架構(gòu)詳情，這款基于無處不在的ARM處理器的SoC可滿足復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的高性能、低功耗和多核處理能力要求。賽靈思可擴(kuò)展處理平臺芯片硬件的核心本質(zhì)就是將通用基礎(chǔ)雙ARMCortex-A9MPCore處理器系統(tǒng)作為“主系統(tǒng)”，結(jié)合低功耗28nm工藝技術(shù)，以實現(xiàn)高度的靈活性、強(qiáng)大的配置功能和高性能。由于該新型器件的可編程邏輯部分基于賽靈思28nm7系列FPGA，因此該系列產(chǎn)品的名稱中添加了“7000”，以保持與7系列FPGA的一致性，同時也方便日后本系列新產(chǎn)品的命名。

除了芯片外，賽靈思Zynq-7000系列還構(gòu)成了最終平臺產(chǎn)品的基礎(chǔ)。賽靈思聯(lián)盟計劃生態(tài)系統(tǒng)和ARM互聯(lián)社區(qū)的成員提供的軟件開發(fā)與硬件設(shè)計實現(xiàn)工具、廣泛采用的操作系統(tǒng)、調(diào)試器、IP及其他元素的工具就好像“電鍍”在一起一樣，從而使可擴(kuò)展處理平臺成為了可能。

Zynq-7000為何不是FPGA？

Zynq-7000可擴(kuò)展處理平臺是采用賽靈思新一代FPGA（Artix-7與Kintex-7FPGA）所采用的同一28nm可編程技術(shù)的最新產(chǎn)品系列?？删幊踢壿嬁捎捎脩襞渲?，并通過“互連”模塊連接在一起，這樣可以提供用戶自定義的任意邏輯功能，從而擴(kuò)展處理系統(tǒng)的性能及功能。不過，與采用嵌入式處理器的FPGA不同，Zynq-7000產(chǎn)品系列的處理系統(tǒng)不僅能在開機(jī)時啟動，而且還可根據(jù)需要配置可編程邏輯。采用這種方法，軟件編程模式與全功能的標(biāo)準(zhǔn)ARM處理SoC毫無二致。

“可擴(kuò)展”意味著什么？

在軟件工程領(lǐng)域，可擴(kuò)展性（有時會同前向兼容性相混淆）是指實現(xiàn)方案考慮到未來發(fā)展需求的系統(tǒng)設(shè)計原理。這是一種能夠擴(kuò)展系統(tǒng)的系統(tǒng)性舉措，也是實現(xiàn)擴(kuò)展所需的工作。擴(kuò)展可體現(xiàn)為增加新功能，也可體現(xiàn)為現(xiàn)有功能的修改。其核心主題就是在盡可能減少現(xiàn)有系統(tǒng)功能變動的基礎(chǔ)上實現(xiàn)變革。

在系統(tǒng)架構(gòu)中，可擴(kuò)展性意味著系統(tǒng)設(shè)計時包含了通過新功能擴(kuò)展/改進(jìn)自身的機(jī)制和元素(hook)，而且無需對系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)進(jìn)行較大的修改。良好的架構(gòu)反映了實現(xiàn)上述目的的設(shè)計原理，也為今后可能的構(gòu)建工作制定了發(fā)展藍(lán)圖。請注意，這通常是指最終交付的產(chǎn)品中包含了尚不會（實際上可能永遠(yuǎn)不會）用到的功能和機(jī)制，但這種功能并不是可有可無的，而是可維護(hù)性的必要元素，有助于避免產(chǎn)品過早被淘汰。

ZYNQ=processor

Zynq-7000嵌入式處理平臺系列的每款產(chǎn)品均采用帶有NEON及雙精度浮點引擎的雙核ARMCortex-A9MPCore處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過硬連線完成了包括L1，L2緩存、存儲器控制器以及常用外設(shè)在內(nèi)的全面集成。該處理系統(tǒng)不僅能在開機(jī)時啟動并運行各種獨立于可編程邏輯的操作系統(tǒng)(OS)，而且還可根據(jù)需要配置可編程邏輯。利用這種方法，軟件編程模式與全功能的標(biāo)準(zhǔn)ARM處理SoC毫無二致。

應(yīng)用開發(fā)人員利用可編程邏輯強(qiáng)大的并行處理能力，不僅可以解決多種不同信號處理應(yīng)用中的大量數(shù)據(jù)處理問題，而且還能通過實施更多外設(shè)來擴(kuò)展處理系統(tǒng)的特性。系統(tǒng)和可編程邏輯之間的高帶寬AMBA-AXI互聯(lián)能以極低的功耗支持千兆位級數(shù)據(jù)傳輸，從而解決了控制、數(shù)據(jù)、I/O和存儲器之間的常見性能瓶頸問題。

編程環(huán)境

Zynq-7000系列提供了一個開放式設(shè)計環(huán)境，便于可編程邏輯中雙核Cortex-A9MPCore和定制加速器的并行開發(fā)，從而加速了產(chǎn)品上市進(jìn)程。軟件開發(fā)人員可以充分利用基于Eclipse的XilinxPlatformStudio軟件開發(fā)套件(SDK)、ARM的DS-5和ARMRealViewDesignSuite(RVDS)，或ARM互聯(lián)社區(qū)和賽靈思聯(lián)盟計劃生態(tài)系統(tǒng)的領(lǐng)先廠商（諸如Lauterbach、WindRiver、PetaLogix、MathWorks、MentorGraphics、Micrium和MontaVista等）提供的編譯器、調(diào)試器和應(yīng)用。

此外，利用賽靈思屢獲殊榮的ISE設(shè)計套件的優(yōu)勢，Zynq-7000系列的可編程結(jié)構(gòu)經(jīng)定制可以最大化系統(tǒng)級性能，滿足特定應(yīng)用的各種需求。該套件提供了包括開發(fā)工具、AMB4AXI4即插即用IP核和總線功能模型(BFM)等在內(nèi)的完整硬件開發(fā)環(huán)境，有助于加速設(shè)計和驗證工作。賽靈思通過收購高級綜合技術(shù)領(lǐng)先公司AutoESL進(jìn)一步提升了在工具方面的進(jìn)程，提供C，C++以及系統(tǒng)C綜合優(yōu)化Zynq-7000器件架構(gòu)。未來的版本也將促進(jìn)Zynq-7000產(chǎn)品系列中處理器和可編程邏輯之間關(guān)鍵算法的無縫銜接。

隨著時間的推移，ARM互聯(lián)社區(qū)和賽靈思聯(lián)盟計劃生態(tài)系統(tǒng)的第三方廠商將進(jìn)一步擴(kuò)展上述解決方案，這是賽靈思目標(biāo)設(shè)計平臺的一部分，可提供包括IP核、參考設(shè)計、開發(fā)套件及其他資源等在內(nèi)的高效統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，從而滿足特定應(yīng)用和設(shè)計領(lǐng)域要求。

可編程邏輯架構(gòu)

Zynq-7000系列的可編程邏輯完全基于賽靈思最新7系列FPGA架構(gòu)來設(shè)計，可確保28nm系列器件的IP核、工具和性能100%兼容。最小型的Zynq-7000、Zynq-7010和Zynq-7020均基于專門針對低成本和低功耗優(yōu)化的Artix-7系列；較大型的Zynq-7030和Zynq-7040器件基于包括4至12個10.3Gbps收發(fā)器通道，可支持高速片外連接的中端Kintex-7系列。所有四款產(chǎn)品均采用基于2個12位1MspsADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）模塊的新型模擬混合信號模塊。

Zynq的一些概念

ZYNQ，總的來說，就是兩大功能塊，PS 部分和 PL部分， 直面意思理解就是ARM的SOC部分，和FPGA部分。

PS:?處理系統(tǒng) （Processing System) , ?就是與FPGA無關(guān)的ARM的SOC的部分。

PL:?可編程邏輯 (Progarmmable Logic), 就是FPGA部分。之所以叫PL，而不是叫FPGA，原因主要是考慮到讓做軟件的大俠們不要望而生畏。對于邏輯而言，在這里就不多說了，單純做軟件的也不要去考慮了。

下一個層級， APU部分：

APU:?應(yīng)用處理器單元（Application Processor Unit)， 位于PS里面的中心位置。APU這三個字，AMD公司曾經(jīng)用過，特指全稱是“Accelerated Processing Units”，加速處理器，它是融聚了CPU與GPU功能的產(chǎn)品，電腦上兩個最重要的處理器融合，相互補(bǔ)足，發(fā)揮最大性能。XILINX 的APU與AMD的APU在縮寫上就是截然不同的兩個詞， 不要混淆了。

APU 這個詞，在Xilinx內(nèi)部的術(shù)語中，也是存在撞車的。在Xilinx 的 PowerPC體系中，?有一個輔助處理單元“Auxiliary Processing Unit” 的概念，指的是在PowerPC硬核外掛的浮點協(xié)處理器之類的單元。

在這個位置上的處理器， 還有各種其他的叫法， 有MCU （微控制器處理單元Microcontroller Unit），MPU （微處理器單元Microprocessor Unit），等等。? MCU這個叫法，暗示了處理器功能不強(qiáng)，只能搞搞輸入輸出控制啊，寫個小狀態(tài)機(jī)啊， 一般都是8位機(jī)。? MPU呢，就更先進(jìn)了一些，成prcessor了，這意味著處理器通常是32位的， 能干點計算的事。但是有一個micro詞根在里面，說明干的是小活，通常沒有正式的和全尺寸的操作系統(tǒng)， 通常沒有內(nèi)存管理單元MMU。? ARM 的Cortex-M系列是干這類活的。

APU，帶了Application這個詞， 意味著在上面可以跑應(yīng)用程序， 暗示著這個系統(tǒng)是需要全尺寸的操作系統(tǒng)的，和現(xiàn)在炙手可熱的應(yīng)用商店app store 遙相呼應(yīng)。?

APU里面具體包含的內(nèi)容嘛，就是雙ARM-CortexA9核，加上高速緩沖，DMA，定時器，中斷控制，浮點和NEON協(xié)處理，硬件加速器一致性控制器ACP神馬的。也就是處理器核心部分。

套用時下越來越流行的詞匯，“嵌入式計算”， "embedded computing", 可以這么說，用MCU，MPU搭出來的東東，通常叫嵌入式系統(tǒng)。而APU搭出來的東東， 就夠格叫嵌入式計算系統(tǒng)了。

TTC， 這個詞，當(dāng)年猜了半天也拿不準(zhǔn)，看了文檔，發(fā)現(xiàn)，是Triple Time Counter的意思。就是這個計數(shù)器里面有3個獨立通道，可以獨立計數(shù)。掛在APB上，為系統(tǒng)或外設(shè)提供定時或計數(shù)服務(wù)的。

WDT, ?看門狗定時器，有兩個，分別監(jiān)視ARM-Cortex A9用的。如果軟件跑飛，無法清定時器，一段時間后，看門狗就復(fù)位。

SWDT，系統(tǒng)級看門狗定時器， 這個看門狗的時鐘和復(fù)位信號，都可以來自于芯片外部， 這樣，即使系統(tǒng)有嚴(yán)重故障，比如時鐘頻率本身都有問題了，仍然可以通過與系統(tǒng)無關(guān)的外部信號計數(shù)，計數(shù)滿就復(fù)位。?

SCU， Snoop Control Unit, ?用來保持雙核之間的數(shù)據(jù)Cache的一致性。也就是是說，第一個A9處理器寫存儲時，只是寫在了緩存里，沒有進(jìn)主存，如果第二個A9讀操作，涉及到第一個寫臟了的數(shù)據(jù)段， SCU要保證第二個A9的緩存里是最新的數(shù)據(jù)。? 如果第二個A9寫同樣數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)，需要在第一個中體現(xiàn)出寫的內(nèi)容。

SCU的存在，才使得兩個核成互相聯(lián)系的“雙核”，才能成為MPsoc。在原先Xilinx的雙PowerPC的芯片中， 是不存在的。不少學(xué)校的老師拿Xilinx的雙powerpc練手和教學(xué)，從頭搭一個Snoop協(xié)議在裸的雙PowerPC中，倒也不錯。

開發(fā)環(huán)境

Zynq的開發(fā)環(huán)境，可以在ISE或者Vivado，不過ISE在14.7之后就停止了更新，建議安裝VIVADO，畢竟Vivado號稱是把各種開發(fā)工具集成并且支持圖形化建模的功能強(qiáng)大的開發(fā)軟件。

Vivado的安裝教程公眾號前篇推送過，各位大俠如有需要可以翻一下，這里放個超鏈接，Xilinx Vivado 2017.2安裝教程，說了這么多，下面介紹一下開發(fā)硬件環(huán)境Zynq 7000 XC7Z100，Zynq 7000系列中頂配型號，Zynq + Kintex7最強(qiáng)組合，提供豐富的芯片內(nèi)部資源。

首先打開安裝的Vivado 2017.2，打開界面如下：

實操演示

下面做一個從uart打印hello world的實驗，只用PS，不用PL部分，程序從SD卡啟動，跑在PS的內(nèi)部RAM。

zynq 7000的PS雖然也是CPU，但是開發(fā)方法不像普通的CPU只需要一個SDK就可以了，它還需要vivado硬件設(shè)計軟件。

ZYNQ 7000的PS開發(fā)需要兩個工具，一個是vivado，?另一個是SDK。

1. 打開vivado軟件-->Create New Project,工程名和目錄：

2. next->選RTL Project->Add Sources,Add existing IP和Add constraints界面直接點next。

? 3. New Parts界面。

4. 添加IP，在Flow Navigator的IP Integrator 下點擊Create Block Design。

下一步，Create Block Design如下，點OK。

下一步，在Diagram界面點擊Add IP。

? 下一步，雙擊ZYNQ7 Processing System，添加CPU。

? 5. 設(shè)置CPU。 在Diagram界面點擊Run Block Automation，不做修改，點Finish就可以。在Diagram界面雙擊。

進(jìn)入設(shè)置界面，我們把所有的接口去掉，只留下FIXED_IO。

<1> PS-PL Configuration->General->Enable Clock Resets->去掉FCLK_RESET0_N

<2> PS-PL Configuration->GP Master AXI Interface->去掉 M AXI GP0 interface

<3> Clock Configuration->PL Fabric Clocks->去掉FCLK_CLK0

<4> DDR Congiguration->去掉Enable DDR

<5> 設(shè)置SD和UART引腳

MIO Configuration->Bank1 IO Voltage選LVCMOS 1.8V

MIO Configuration->IO Peripherals->選上SD 0, SD 0的引腳配置：

6. 點擊OK返回Diagram界面, 把DDR接口刪掉,配置之后的界面。

7. 生成設(shè)計文件

右擊system項->Generate Output Products->直接點Generate, 之后會提示文件生成成功。

? 下一步，右擊system項->Create HDL Wrapper。

? 下一步，選下面一項，點OK。

注意:如果重新修改了CPU配置，上面兩個步驟一定要重新實行。 ? 8. 導(dǎo)出硬件設(shè)計文件到SDK 導(dǎo)出前要確保Block Design是打開的，即Diagram界面要打開File->Export->Export Hardware->直接點OK，這樣會把硬件文件system_wrapper.hdf導(dǎo)到helloword.sdk文件夾下，SDK工程也在該目錄下。

? 9. 啟動SDK File->Launch SDK->直接點OK。

? 下一步，SDK啟動后就自動添加了硬件相關(guān)的工程。

? system.hdf是system_wrapper.hdf文件的copy； ps7_init.tcl是PS初始化的TCL腳本，PS不能執(zhí)行TCL腳本，所以將該腳本轉(zhuǎn)換為了C文件--ps7_init.c和ps7_init.h.；? ? 前面用vivado的硬件設(shè)計就是為了生成這兩個文件，ps7_init.c主要初始化CPU的時鐘，引腳復(fù)用，ddr和外設(shè)等。后面的helloword工程只需要這兩個文件，其他的文件都不需要。? ? ? ??
? ?? 10.添加helloword工程? 在SDK中->File->New->New Application Project->設(shè)置如下，點next->選hello world。

? 11. 修改源碼 多了兩個工程，一個是app，另一個是bsp. ，發(fā)現(xiàn)SD V2.3驅(qū)動有問題,將其退為2.2。 在helloword_bsp工程下打開system.mss文件,點擊左下角的source,修改sd驅(qū)動版本為2.2。

? 修改之后重新生成BSP源碼,點system.mss左下角的overview->Re-generate BSP Sources。?? 將ps7_init.c和ps7_init.h copy到helloword/src目錄下,也可以創(chuàng)建連接,這里就直接copy了。? ? 修改helloword/src/platform.c --init_platform函數(shù),將ps7_init()函數(shù)的comment去掉,?? ? ? ? ?? --包含頭文件#include "ps7_init.h" ? 12. 編譯代碼->project->Clean->OK

? 13. 生成boot.bin啟動文件

右擊helloword工程->Create boot Image->Create Image。

? 注意：helloword.elf 前面的bootloader一定要出現(xiàn)，表示該文件是bootloader，啟動后運行的第一個文件，可點edit來修改。
? ?? 14.? 將生成的BOOT.bin文件copy到SD卡(已用HP USB Disk Storage Format Tool格式化成啟動盤)，啟動，從串口可看到打印信息。

審核編輯：黃飛

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