作者： ALINX

簡介

Zynq UltraScale+ MPSoC系列是Xilinx第二代Zynq平臺。其亮點在于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，使處理器核在Zynq中完全獨立于可編程邏輯單元，也就是說如果暫時沒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)部存儲器（OCM），外部存儲器接口（DDR Controller）和外設（IOU）。這些外設（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，需要設計高效的片內(nèi)高性能處理器與FPGA之間的互聯(lián)通路。因此，如何設計高效的PL和PS數(shù)據(jù)交互通路是ZYNQ芯片設計的重中之重，也是產(chǎn)品設計的成敗關(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，在具體設計中我們往往不需要在連接這個地方做太多工作，我們加入IP核以后，系統(tǒng)會自動使用AXI接口將我們的IP核與處理器連接起來，我們只需要再做一點補充就可以了。

AXI全稱Advanced eXtensible Interface，是Xilinx從6系列的FPGA開始引入的一個接口協(xié)議，主要描述了主設備和從設備之間的數(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)常會看到AXI4.0，ZYNQ內(nèi)部設備都有AXI接口。其實AXI就是ARM公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的一個部分，是一種高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線，也用來替代以前的AHB和APB總線。第一個版本的AXI（AXI3）包含在2003年發(fā)布的AMBA3.0中，AXI的第二個版本AXI（AXI4）包含在2010年發(fā)布的AMBA 4.0之中。

AXI協(xié)議主要描述了主設備和從設備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，主設備和從設備之間通過握手信號建立連接。當從設備準備好接收數(shù)據(jù)時，會發(fā)出READY信號。當主設備的數(shù)據(jù)準備好時，會發(fā)出和維持VALID信號，表示數(shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)只有在VALID和READY信號都有效的時候才開始傳輸。當這兩個信號持續(xù)保持有效，主設備會繼續(xù)傳輸下一個數(shù)據(jù)。主設備可以撤銷VALID信號，或者從設備撤銷READY信號終止傳輸。AXI的協(xié)議如圖，T2時，從設備的READY信號有效，T3時主設備的VILID信號有效，數(shù)據(jù)傳輸開始。

AXI握手時序圖

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

AXI4-Lite：

具有輕量級，結(jié)構(gòu)簡單的特點，適合小批量數(shù)據(jù)、簡單控制場合。不支持批量傳輸，讀寫時一次只能讀寫一個字（32bit）。主要用于訪問一些低速外設和外設的控制。

AXI4：

接口和AXI-Lite差不多，只是增加了一項功能就是批量傳輸，可以連續(xù)對一片地址進行一次性讀寫。也就是說具有數(shù)據(jù)讀寫的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編入某一地址進行訪問，讀寫時就像在讀寫自己的片內(nèi)RAM，編程也很方便，開發(fā)難度較低。代價就是資源占用過多，需要額外的讀地址線、寫地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫數(shù)據(jù)線、寫應答線這些信號線。

AXI4-Stream：

這是一種連續(xù)流接口，不需要地址線（很像FIFO，一直讀或一直寫就行）。對于這類IP，ARM不能通過上面的內(nèi)存映射方式控制（FIFO根本沒有地址的概念），必須有一個轉(zhuǎn)換裝置，例如AXI-DMA模塊來實現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換。AXI-Stream適用的場合有很多：視頻流處理；通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；數(shù)字信號處理；無線通信等。其本質(zhì)都是針對數(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。這種接口適合做實時信號處理。

AXI4和AXI4-Lite接口包含5個不同的通道：

Read Address Channel

Write Address Channel

Read Data Channel

Write Data Channel

Write Response Channel

其中每個通道都是一個獨立的AXI握手協(xié)議。下面兩個圖分別顯示了讀和寫的模型：

AXI讀數(shù)據(jù)通道

AXI寫數(shù)據(jù)通道

在ZYNQ芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn)了AXI總線協(xié)議，包括12個物理接口，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標準的接口，總共有四個，PL模塊作為主設備連接。主要用于PL訪問PS上的存儲器（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OCM和TCM，訪問PS端DDR。

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

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，即主機接口，其余都是Slave Port（從機接口）。主機接口具有發(fā)起讀寫的權(quán)限，ARM可以利用兩個主機接口主動訪問PL邏輯，其實就是把PL映射到某個地址，讀寫PL寄存器如同在讀寫自己的存儲器。其余從機接口就屬于被動接口，接受來自PL的讀寫，逆來順受。在PS與PL互聯(lián)應用，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則需要使用邏輯實現(xiàn)相應的AXI協(xié)議。Xilinx在Vivado開發(fā)環(huán)境里提供現(xiàn)成IP如AXI-DMA，AXI-GPIO，AXI-Dataover， AXI-Stream都實現(xiàn)了相應的接口，使用時直接從Vivado的IP列表中添加即可實現(xiàn)相應的功能。下圖為Vivado下的各種DMA IP：

下面為幾個常用的AXI接口IP的功能介紹：

AXI-DMA：實現(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，只不過這次是完全由PL控制的，PS是完全被動的。

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

AXI-CDMA：這個是由PL完成的將數(shù)據(jù)從內(nèi)存的一個位置搬移到另一個位置，無需CPU來插手。

關(guān)于如何使用這些IP，我們會在后面的章節(jié)中舉例講到。有時，用戶需要開發(fā)自己定義的IP同PS進行通信，這時可以利用向?qū)蓪腎P。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，用戶其實不需要對AXI時序了解太多（除非確實遇到問題），因為Xilinx已經(jīng)將和AXI時序有關(guān)的細節(jié)都封裝起來，用戶只需要關(guān)注自己的邏輯實現(xiàn)即可。

AXI協(xié)議嚴格的講是一個點對點的主從接口協(xié)議，當多個外設需要互相交互數(shù)據(jù)時，我們需要加入一個AXI Interconnect模塊，也就是AXI互聯(lián)矩陣，作用是提供將一個或多個AXI主設備連接到一個或多個AXI從設備的一種交換機制（有點類似于交換機里面的交換矩陣）。

這個AXI Interconnect IP核最多可以支持16個主設備、16個從設備，如果需要更多的接口，可以多加入幾個IP核。

AXI Interconnect基本連接模式有以下幾種：

N-to-1 Interconnect

to-N Interconnect

N-to-M Interconnect （Crossbar Mode）

N-to-M Interconnect （Shared Access Mode）

多對一的情況

一對多的情況

多對多讀寫地址通道

多對多讀寫數(shù)據(jù)通道

ZYNQ內(nèi)部的AXI接口設備就是通過互聯(lián)矩陣的的方式互聯(lián)起來的，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芯片開發(fā)流程的簡介

由于ZYNQ將CPU與FPGA集成在了一起，開發(fā)人員既需要設計ARM的操作系統(tǒng)應用程序和設備的驅(qū)動程序，又需要設計FPGA部分的硬件邏輯設計。開發(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FPGA和ARM系統(tǒng)之間的硬件設計平臺。所以ZYNQ的開發(fā)是需要軟件人員和硬件硬件人員協(xié)同設計并開發(fā)的。這既是ZYNQ開發(fā)中所謂的“軟硬件協(xié)同設計”。

ZYNQ系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設計和開發(fā)需要用到開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具：Xilinx Vivado。

Vivado設計套件實現(xiàn)FPGA部分的設計和開發(fā)，管腳和時序的約束，編譯和仿真，實現(xiàn)RTL到比特流的設計流程。Vivado并不是ISE設計套件的簡單升級，而是一個全新的設計套件。它替代了ISE設計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等設計工具。

Xilinx SDK（Software Development Kit）， SDK是Xilinx軟件開發(fā)套件（SDK），在Vivado硬件系統(tǒng)的基礎上，系統(tǒng)會自動配置一些重要參數(shù)，其中包括工具和庫路徑、編譯器選項、JTAG和閃存設置，調(diào)試器連接已經(jīng)裸機板支持包（BSP）。SDK也為所有支持的Xilinx IP硬核提供了驅(qū)動程序。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C或C++語言來開發(fā)和調(diào)試ARM和FPGA系統(tǒng)，測試硬件系統(tǒng)是否工作正常。SDK軟件也是Vivado軟件自帶的，無需單獨安裝。

ZYNQ的開發(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，或需要添加自定義的外設。

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） 導出硬件信息到SDK軟件開發(fā)環(huán)境，在SDK環(huán)境里可以編寫一些調(diào)試軟件驗證硬件和軟件，結(jié)合比特流文件單獨調(diào)試ZYNQ系統(tǒng)。

5） 在SDK里生成FSBL文件。

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

7） 在SDK里通過FSBL文件， 比特流文件system.bit和u-boot.elf文件生成一個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FPGA自定義的IP編寫驅(qū)動。

9） 把BOOT、內(nèi)核、設備樹、根文件系統(tǒng)文件放入到SD卡中，啟動開發(fā)板電源，Linux操作系統(tǒng)會從SD卡里啟動。

以上是典型的ZYNQ開發(fā)流程，但是ZYNQ也可以單獨做為ARM來使用，這樣就不需要關(guān)系PL端資源，和傳統(tǒng)的ARM開發(fā)沒有太大區(qū)別。ZYNQ也可以只使用PL部分，但是PL的配置還是要PS來完成的，就是無法通過傳統(tǒng)的固化Flash方式把只要PL的固件固化起來。

審核編輯：何安