作者： ALINX
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簡(jiǎn)介
Zynq UltraScale+ MPSoC系列是Xilinx第二代Zynq平臺(tái)。其亮點(diǎn)在于FPGA里包含了完整的ARM處理子系統(tǒng)（PS），包含了四核Cortex-A53處理器或雙核Cortex-A53加雙核Cortex-R5處理器，整個(gè)處理器的搭建都以處理器為中心，而且處理器子系統(tǒng)中集成了內(nèi)存控制器和大量的外設(shè)，使處理器核在Zynq中完全獨(dú)立于可編程邏輯單元，也就是說(shuō)如果暫時(shí)沒(méi)有用到可編程邏輯單元部分（PL）， ARM處理器的子系統(tǒng)也可以獨(dú)立工作，這與以前的FPGA有本質(zhì)區(qū)別，其是以處理器為中心的。

Zynq就是兩大功能塊，PS 部分和 PL部分，說(shuō)白了，就是ARM的SOC部分，和FPGA部分。其中，PS集成了APU ARM Cortex?-A53處理器，RPU Cortex-R5處理器，AMBA?互連，內(nèi)部存儲(chǔ)器（OCM），外部存儲(chǔ)器接口（DDR Controller）和外設(shè)（IOU）。這些外設(shè)（IOU）主要包括USB總線接口，以太網(wǎng)接口，SD/eMMC接口，I2C總線接口，CAN總線接口，UART接口，GPIO等。高速接口如PCIe，SATA，Display Port。

ZYNQ MPSoC芯片的總體框圖

PS: 處理系統(tǒng)（Processing System) , 就是與FPGA無(wú)關(guān)的ARM的SoC的部分。

PL: 可編程邏輯 (Progarmmable Logic), 就是FPGA部分。

1.1 PS和PL互聯(lián)技術(shù)
ZYNQ作為將高性能ARM Cortex-A53系列處理器與高性能FPGA在單芯片內(nèi)緊密結(jié)合的產(chǎn)品，為了實(shí)現(xiàn)ARM處理器和FPGA之間的高速通信和數(shù)據(jù)交互，發(fā)揮ARM處理器和FPGA的性能優(yōu)勢(shì)，需要設(shè)計(jì)高效的片內(nèi)高性能處理器與FPGA之間的互聯(lián)通路。因此，如何設(shè)計(jì)高效的PL和PS數(shù)據(jù)交互通路是ZYNQ芯片設(shè)計(jì)的重中之重，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成敗關(guān)鍵之一。本節(jié)，我們就將主要介紹PS和PL的連接，讓用戶了解PS和PL之間連接的技術(shù)。

其實(shí)，在具體設(shè)計(jì)中我們往往不需要在連接這個(gè)地方做太多工作，我們加入IP核以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使用AXI接口將我們的IP核與處理器連接起來(lái)，我們只需要再做一點(diǎn)補(bǔ)充就可以了。

AXI全稱Advanced eXtensible Interface，是Xilinx從6系列的FPGA開(kāi)始引入的一個(gè)接口協(xié)議，主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。在ZYNQ中繼續(xù)使用，版本是AXI4，所以我們經(jīng)常會(huì)看到AXI4.0，ZYNQ內(nèi)部設(shè)備都有AXI接口。其實(shí)AXI就是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的一個(gè)部分，是一種高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線，也用來(lái)替代以前的AHB和APB總線。第一個(gè)版本的AXI（AXI3）包含在2003年發(fā)布的AMBA3.0中，AXI的第二個(gè)版本AXI（AXI4）包含在2010年發(fā)布的AMBA 4.0之中。

AXI協(xié)議主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，主設(shè)備和從設(shè)備之間通過(guò)握手信號(hào)建立連接。當(dāng)從設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)出READY信號(hào)。當(dāng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，會(huì)發(fā)出和維持VALID信號(hào)，表示數(shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)只有在VALID和READY信號(hào)都有效的時(shí)候才開(kāi)始傳輸。當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)持續(xù)保持有效，主設(shè)備會(huì)繼續(xù)傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)。主設(shè)備可以撤銷VALID信號(hào)，或者從設(shè)備撤銷READY信號(hào)終止傳輸。AXI的協(xié)議如圖，T2時(shí)，從設(shè)備的READY信號(hào)有效，T3時(shí)主設(shè)備的VILID信號(hào)有效，數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始。

AXI握手時(shí)序圖

在ZYNQ中，支持AXI-Lite，AXI4和AXI-Stream三種總線，通過(guò)表5-1,我們可以看到這三種AXI接口的特性。

AXI4-Lite：

具有輕量級(jí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合小批量數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。不支持批量傳輸，讀寫(xiě)時(shí)一次只能讀寫(xiě)一個(gè)字（32bit）。主要用于訪問(wèn)一些低速外設(shè)和外設(shè)的控制。

AXI4：

接口和AXI-Lite差不多，只是增加了一項(xiàng)功能就是批量傳輸，可以連續(xù)對(duì)一片地址進(jìn)行一次性讀寫(xiě)。也就是說(shuō)具有數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的burst功能。

上面兩種均采用內(nèi)存映射控制方式，即ARM將用戶自定義IP編入某一地址進(jìn)行訪問(wèn)，讀寫(xiě)時(shí)就像在讀寫(xiě)自己的片內(nèi)RAM，編程也很方便，開(kāi)發(fā)難度較低。代價(jià)就是資源占用過(guò)多，需要額外的讀地址線、寫(xiě)地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫(xiě)數(shù)據(jù)線、寫(xiě)應(yīng)答線這些信號(hào)線。

AXI4-Stream：

這是一種連續(xù)流接口，不需要地址線（很像FIFO，一直讀或一直寫(xiě)就行）。對(duì)于這類IP，ARM不能通過(guò)上面的內(nèi)存映射方式控制（FIFO根本沒(méi)有地址的概念），必須有一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，例如AXI-DMA模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換。AXI-Stream適用的場(chǎng)合有很多：視頻流處理；通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號(hào)處理；無(wú)線通信等。其本質(zhì)都是針對(duì)數(shù)值流構(gòu)建的數(shù)據(jù)通路，從信源（例如ARM內(nèi)存、DMA、無(wú)線接收前端等）到信宿（例如HDMI顯示器、高速AD音頻輸出，等）構(gòu)建起連續(xù)的數(shù)據(jù)流。這種接口適合做實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

AXI4和AXI4-Lite接口包含5個(gè)不同的通道：

其中每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的AXI握手協(xié)議。下面兩個(gè)圖分別顯示了讀和寫(xiě)的模型：

AXI讀數(shù)據(jù)通道

AXI寫(xiě)數(shù)據(jù)通道

在ZYNQ芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)了AXI總線協(xié)議，包括12個(gè)物理接口，分別為S_AXI_HP{0:3}_FPD，S_AXI_LPD，S_AXI_ACE_FPD，S_AXI_ACP_FPD，S_AXI_HPC{0,1}_FPD，M_AXI_HPM{0,1}_FPD，M_AXI_HPM0_LPD接口。

S_AXI_HP{0:3}_FPD接口，是高性能/帶寬的AXI4標(biāo)準(zhǔn)的接口，總共有四個(gè)，PL模塊作為主設(shè)備連接。主要用于PL訪問(wèn)PS上的存儲(chǔ)器（DDR和FPD Main Switch）

S_AXI_LPD接口，高性能端口，連接PL到LPD。低延遲訪問(wèn)OCM和TCM，訪問(wèn)PS端DDR。

S_AXI_HPC{0,1}_FPD接口，連接PL到FPD，可連接到CCI，訪問(wèn)L1和L2 Cache，由于通過(guò)CCI，訪問(wèn)DDR控制器會(huì)有較大延遲。

M_AXI_HPM{0,1}_FPD接口，高性能總線，PS為master，連接FPD到PL，可用于CPU, DMA, PCIe等從PS推送大量數(shù)據(jù)到PL。

M_AXI_HPM0_LPD接口，低延遲接口總線，PS為master，連接LPD到PL，可直接訪問(wèn)PL端的BRAM，DDR等，也經(jīng)常用于配置PL端的寄存器。

只有M_AXI_HPM{0,1}_FPD和M_AXI_HPM0_LPD是Master Port，即主機(jī)接口，其余都是Slave Port（從機(jī)接口）。主機(jī)接口具有發(fā)起讀寫(xiě)的權(quán)限，ARM可以利用兩個(gè)主機(jī)接口主動(dòng)訪問(wèn)PL邏輯，其實(shí)就是把PL映射到某個(gè)地址，讀寫(xiě)PL寄存器如同在讀寫(xiě)自己的存儲(chǔ)器。其余從機(jī)接口就屬于被動(dòng)接口，接受來(lái)自PL的讀寫(xiě)，逆來(lái)順受。在PS與PL互聯(lián)應(yīng)用，用的最多的接口為S_AXI_HP{0:3}_FPD、M_AXI_HPM{0,1}_FPD和M_AXI_HPM0_LPD。

位于PS端的ARM直接有硬件支持AXI接口，而PL則需要使用邏輯實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的AXI協(xié)議。Xilinx在Vivado開(kāi)發(fā)環(huán)境里提供現(xiàn)成IP如AXI-DMA，AXI-GPIO，AXI-Dataover, AXI-Stream都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的接口，使用時(shí)直接從Vivado的IP列表中添加即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。下圖為Vivado下的各種DMA IP：

下面為幾個(gè)常用的AXI接口IP的功能介紹：

AXI-DMA：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HPAXI-Stream的轉(zhuǎn)換

AXI-FIFO-MM2S：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL通用傳輸通道AXI-HPMAXI-Stream的轉(zhuǎn)換

AXI-Datamover：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HPAXI-Stream的轉(zhuǎn)換，只不過(guò)這次是完全由PL控制的，PS是完全被動(dòng)的。

AXI-VDMA：實(shí)現(xiàn)從PS內(nèi)存到PL高速傳輸高速通道AXI-HPAXI-Stream的轉(zhuǎn)換，只不過(guò)是專門針對(duì)視頻、圖像等二維數(shù)據(jù)的。

AXI-CDMA：這個(gè)是由PL完成的將數(shù)據(jù)從內(nèi)存的一個(gè)位置搬移到另一個(gè)位置，無(wú)需CPU來(lái)插手。

關(guān)于如何使用這些IP，我們會(huì)在后面的章節(jié)中舉例講到。有時(shí)，用戶需要開(kāi)發(fā)自己定義的IP同PS進(jìn)行通信，這時(shí)可以利用向?qū)蓪?duì)應(yīng)的IP。用戶自定義IP核可以擁有AXI4-Lite，AXI4，AXI-Stream，PLB和FSL這些接口。后兩種由于ARM這一端不支持，所以不用。

有了上面的這些官方IP和向?qū)傻淖远xIP，用戶其實(shí)不需要對(duì)AXI時(shí)序了解太多（除非確實(shí)遇到問(wèn)題），因?yàn)閄ilinx已經(jīng)將和AXI時(shí)序有關(guān)的細(xì)節(jié)都封裝起來(lái)，用戶只需要關(guān)注自己的邏輯實(shí)現(xiàn)即可。

AXI協(xié)議嚴(yán)格的講是一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的主從接口協(xié)議，當(dāng)多個(gè)外設(shè)需要互相交互數(shù)據(jù)時(shí)，我們需要加入一個(gè)AXI Interconnect模塊，也就是AXI互聯(lián)矩陣，作用是提供將一個(gè)或多個(gè)AXI主設(shè)備連接到一個(gè)或多個(gè)AXI從設(shè)備的一種交換機(jī)制（有點(diǎn)類似于交換機(jī)里面的交換矩陣）。

這個(gè)AXI Interconnect IP核最多可以支持16個(gè)主設(shè)備、16個(gè)從設(shè)備，如果需要更多的接口，可以多加入幾個(gè)IP核。

AXI Interconnect基本連接模式有以下幾種：

多對(duì)一的情況

一對(duì)多的情況

多對(duì)多讀寫(xiě)地址通道

多對(duì)多讀寫(xiě)數(shù)據(jù)通道

ZYNQ內(nèi)部的AXI接口設(shè)備就是通過(guò)互聯(lián)矩陣的的方式互聯(lián)起來(lái)的，既保證了傳輸數(shù)據(jù)的高效性，又保證了連接的靈活性。Xilinx在Vivado里我們提供了實(shí)現(xiàn)這種互聯(lián)矩陣的IP核axi_interconnect，我們只要調(diào)用就可以。

AXI Interconnect IP

1.2 ZYNQ芯片開(kāi)發(fā)流程的簡(jiǎn)介
由于ZYNQ將CPU與FPGA集成在了一起，開(kāi)發(fā)人員既需要設(shè)計(jì)ARM的操作系統(tǒng)應(yīng)用程序和設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，又需要設(shè)計(jì)FPGA部分的硬件邏輯設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)中既要了解Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的構(gòu)架，也需要搭建一個(gè)FPGA和ARM系統(tǒng)之間的硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)。所以ZYNQ的開(kāi)發(fā)是需要軟件人員和硬件硬件人員協(xié)同設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)的。這既是ZYNQ開(kāi)發(fā)中所謂的"軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”。

ZYNQ系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)需要用到開(kāi)發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具：Xilinx Vivado。

Vivado設(shè)計(jì)套件實(shí)現(xiàn)FPGA部分的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，管腳和時(shí)序的約束，編譯和仿真，實(shí)現(xiàn)RTL到比特流的設(shè)計(jì)流程。Vivado并不是ISE設(shè)計(jì)套件的簡(jiǎn)單升級(jí)，而是一個(gè)全新的設(shè)計(jì)套件。它替代了ISE設(shè)計(jì)套件的所有重要工具，比如Project Navigator、Xilinx Synthesis Technology、Implementation、CORE Generator、Constraint、Simulator、Chipscope Analyzer、FPGA Editor等設(shè)計(jì)工具。

Xilinx SDK（Software Development Kit）， SDK是Xilinx軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK),在Vivado硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)配置一些重要參數(shù)，其中包括工具和庫(kù)路徑、編譯器選項(xiàng)、JTAG和閃存設(shè)置，調(diào)試器連接已經(jīng)裸機(jī)板支持包(BSP)。SDK也為所有支持的Xilinx IP硬核提供了驅(qū)動(dòng)程序。SDK支持IP硬核（FPGA上）和處理器軟件協(xié)同調(diào)試，我們可以使用高級(jí)C或C++語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)和調(diào)試ARM和FPGA系統(tǒng)，測(cè)試硬件系統(tǒng)是否工作正常。SDK軟件也是Vivado軟件自帶的，無(wú)需單獨(dú)安裝。

ZYNQ的開(kāi)發(fā)也是先硬件后軟件的方法。具體流程如下：

1) 在Vivado上新建工程，增加一個(gè)嵌入式的源文件。

2) 在Vivado里添加和配置PS和PL部分基本的外設(shè)，或需要添加自定義的外設(shè)。

3) 在Vivado里生成頂層HDL文件，并添加約束文件。再編譯生成比特流文件（*.bit）。

4) 導(dǎo)出硬件信息到SDK軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，在SDK環(huán)境里可以編寫(xiě)一些調(diào)試軟件驗(yàn)證硬件和軟件，結(jié)合比特流文件單獨(dú)調(diào)試ZYNQ系統(tǒng)。

5) 在SDK里生成FSBL文件。

6) 在VMware虛擬機(jī)里生成u-boot.elf、 bootloader 鏡像。

7) 在SDK里通過(guò)FSBL文件, 比特流文件system.bit和u-boot.elf文件生成一個(gè)BOOT.bin文件。

8) 在VMware里生成Ubuntu的內(nèi)核鏡像文件Zimage和Ubuntu的根文件系統(tǒng)。另外還需要要對(duì)FPGA自定義的IP編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)。

9) 把BOOT、內(nèi)核、設(shè)備樹(shù)、根文件系統(tǒng)文件放入到SD卡中，啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板電源，Linux操作系統(tǒng)會(huì)從SD卡里啟動(dòng)。

以上是典型的ZYNQ開(kāi)發(fā)流程，但是ZYNQ也可以單獨(dú)做為ARM來(lái)使用，這樣就不需要關(guān)系PL端資源，和傳統(tǒng)的ARM開(kāi)發(fā)沒(méi)有太大區(qū)別。ZYNQ也可以只使用PL部分，但是PL的配置還是要PS來(lái)完成的，就是無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的固化Flash方式把只要PL的固件固化起來(lái)。

1.3 學(xué)習(xí)ZYNQ要具備哪些技能
學(xué)習(xí)ZYNQ比學(xué)習(xí)FPGA、MCU、ARM等傳統(tǒng)工具開(kāi)發(fā)要求更高，想學(xué)好ZYNQ也不是一蹴而就的事情。

1.3.1 軟件開(kāi)發(fā)人員

1.3.2 邏輯開(kāi)發(fā)人員