推开zynq-7000的大门

1 背景知识

在2010年4月硅谷举行的嵌入式系统大会上，赛灵思发布了可扩展处理平台的架构详情，这款基于无处不在的ARM处理器的SoC可满足复杂嵌入式系统的高性能、低功耗和多核处理能力要求。赛灵思可扩展处理平台芯片硬件的核心本质就是将通用基础双ARM Cortex-A9 MP Core处理器系统作为“主系统”，结合低功耗28nm工艺技术，以实现高度的灵活性、强大的配置功能和高性能。由于该新型器件的可编程逻辑部分基于赛灵思28nm 7系列FPGA，因此该系列产品的名称中添加了“7000”，以保持与7系列FPGA的一致性，同时也方便日后本系列新产品的命名。

1. 1. 什么是SOC

SoC 这个术语常用于指专用集成电路 （Application Specific Integrated Circuit，ASIC），它上面可以有数字的、模拟的和射频的元件，和混合信号模块组合起来来实现模拟 - 数字转换和数字 - 模拟转换（ADC 和 DAC）。单就数字部分而言，一块 SoC 可以组合上数字系统所有的功能：处理、高速逻辑、接口、存储器等等。所有这些功能也可以用物理上分立的器件来实现，然后在印刷电路板 （PCB）的层面上组合起来。SoC 的解决方案成本更低，能在不同的系统单元之间实现更快更安全的数据传输，具有更高的整体系统速度、更低的功耗、更小的物理尺寸和更好的可靠性。事实上有一大堆无可辩驳的理由来说明 SoC 比等价的分立元件系统要强！可以看一下图1和图2，这是关于板上系统和片上系统的简单图形化比较。

图1 板上系统

图2 片上系统

1. 1. 嵌入式 SoC 的简单剖析

处理器可以被看作是硬件系统的中央单元。软件系统 （软件 “ 栈 ”）是运行在处理器上的，由应用程序 （通常是基于操作系统的）和一个更低的与硬件系统打交道的软件功能层组成的。系统单元之间的通信是通过互联进行的。这种互联可能是直接的、点对点链接，也可能是服务于多个单元的总线。如果是后者，就需要协议来管理总线访问。注意的是，尽管图 3 所示是有外设连接着的单一总线，但是一个处理器可以具有多个总线连接。

图3 嵌入式 SoC 的硬件系统架构

图 4 给出了把图 3 所示的硬件系统映射到图 2 所描绘的 Zynq 芯片上的样子两者的架构都被大大地简化了， 因为目前我们的目标只是从高层阐述嵌入式SoC是如何映射在 Zynq 芯片上的。PS 具有固定的架构，承载了处理器和系统存储区，而 PL 完全是灵活的，给了设计者一面 “ 空白画布 ” 来创建定制的外设，或重用标准外设。互联是通过连接了 PS 和 PL 的 AXI 接口来实现的。

图4 软件系统、硬件系统和 Zynq 架构之间的关系

2 硬件介绍

图5  Zynq 处理器系统

如图5所示，所有的 Zynq 芯片都有相同的基本架构。主要由两大部分组成PS（Processing System）和PL（Programmable Logic）组成。

2.1 PS端

作为处理器系统的基础，所有的芯片都包含了一颗双核 ARM Cortex-A9 处理器。 这是一颗 “ 硬 ” 处理器 —— 它是芯片上专用而且优化过的硅片元件。PS由APU（Application Processing Unit，APU ）、扩展外设接口、存储器接口、互联接口、时钟发生电路、以及cache 存储器等电路组成。这里重点介绍一下APU。

图6 应用处理器单元（APU）的框图

如图6所示，APU(应用处理器单元 ) 主要是由两个 ARM 处理核组成的，每个都关联了一些可计算的单元：一个 NEONTM 媒体处理引擎（Media Processing Engine，MPE）和浮点单元 （Floating Point Unit，FPU）；一个内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）；和一个一级 cache 存储器（分为指令和数据两个部分）。APU 里还有一个二级 cache 存储器，再往下还有片上存储器 （On Chip Memory，OCM）。最后，由一个一致性控制单元（Snoop Control Unit，SCU）在 ARM 核和二级 cache 及 OCM 存储器之间形成了桥连接，这个单元还部分负责与 PL 对接，图中没有标出这个接口。

2.2 PL端

Zynq 架构的第二个主要部分是可编程逻辑。这是基于 Artix®-7和Kintex®-7的 FPGA 组件的 。图7 描绘了 Zynq 芯片的 PL 部分，其中几个功能被高亮了出来。PL 主要是由通用FPGA 逻辑部分组成的，这个FPGA 是由逻辑片和可配置逻辑块 （ConfigurableLogic Block，CLB）组成的，另外还有用于接口的输入 / 输出块（Input/ OutputBlock，IOB）（注意这些都是 Xilinx 专有的术语） 。

图7 逻辑部分及其组成单元

• 可配置逻辑块 (CLB) — CLB 是逻辑单元的小规模、普通编组，在 PL 中排列为一个二维阵列，通过可编程互联连接到其他类似的资源。每个 CLB 里包含两个逻辑片，并且紧邻一个开关矩阵。
    • 片 （Slice） — CLB 里的一个子单元，里面有实现组合和时序逻辑电路的资源。Zynq 的片是由 4 个查找表、8 个触发器和其他一些逻辑所组成的。
    • 查找表 （Lookup Table，LUT） — 一个灵活的资源，可以实现 （一）至多 6个输入的逻辑函数； （二）一小片只读存储器 （ROM）； （三）一小片随机访问存储器 （RAM）；或 （四）一个移位寄存器。LUT 可以按需组合起来形成更大的逻辑函数、存储器或移位寄存器。
    • 触发器（Flip-flop，FF） — 一个实现 1 位寄存的时序电路，带有复位功能。FF 的一种用处是实现锁存。
    • 开关矩阵 （Switch Matrix） — 每个 CLB 旁都有一个开关矩阵，实现灵活的布线功能来（一）连接 CLB 内的单元；或（二）把一个 CLB 与 PL 内的其他资源连接起来。

• 进位逻辑 （Carry Logic） — 算术电路需要在相邻的片之间传递信号，这就是通过进位逻辑来实现的。进位逻辑把布线和复用器组成链条来连接一个垂直列上的片。
    • 输入 / 输出块 （Input/Output Blocks，IOB） — IOB 实现了 PL 逻辑资源之间的对接，并且提供物理设备 “ 焊盘 ” 来连接外部电路。每个 IOB 可以处理一位的输入或输出信号。IOB 通常位于芯片的周边。

3 设计流程

图8  Zynq-7000的基本设计流程框图

如图8所示，Xilinx Zynq-7000系列的基本设计流程从需求和技术指标开始，进入系统设计后首先进行软硬件划分，硬件部分通过vivado软件进行设计，包括Zynq-7000系统的搭建、综合、布局布线、约束生成bit文件等步骤。软件部分通过SDK来设计。最后嵌入式系统联合调试。

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