[導(dǎo)讀] 基于ZYNQ實(shí)現(xiàn)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)非常便利，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，本文來(lái)從對(duì)ZYNQ芯片架構(gòu)的理解來(lái)談?wù)剛€(gè)人體會(huì)。

俯瞰zynq

ZYNQ主要由兩大部分組成：

處理系統(tǒng)PS（Processing System）：上圖左上部分即是PS部分，包括：

同構(gòu)雙核ARM Cortex A9的對(duì)稱(chēng)多處理器 （Symmetric Multi-Processing，SMP）

豐富的外設(shè)，2×SPI，2×I2C，2×CAN，2×UART，2×SDIO，2×USB，2×GigE，GPIO

靜態(tài)存儲(chǔ)控制器：Quad-SPI，NAND，NOR

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)控制器：DDR3，DDR2，LPDDR2

可編程邏輯PL（Programmable logic）：兼容賽靈思7系列FPGA

基于Artix的芯片：Z-7010以及Z-7020

基于Kintex的芯片：Z-7030以及Z-7045

ZYNQ處理系統(tǒng)端PS所有的外設(shè)都連接在AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線，而基于FPGA設(shè)計(jì)的IP則可以通過(guò)AXI接口掛載在AMBA總線上，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各組件的互聯(lián)互通。這里涉及到兩個(gè)概念：

AMBA總線，熟悉ARM架構(gòu)的朋友應(yīng)該都大致了解， AMBA是ARM公司的注冊(cè)商標(biāo)。是一種用于片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)中功能塊的連接和管理的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)片上互連規(guī)范。它促進(jìn)了具有總線結(jié)構(gòu)及多控制器或組件的多核處理器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。自成立以來(lái)，AMBA已廣為應(yīng)用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了微控制器設(shè)備領(lǐng)域。如今，AMBA已廣泛用于各種ASIC和SoC部件，包括在現(xiàn)代便攜式移動(dòng)設(shè)備中使用的應(yīng)用處理器。

高級(jí)可擴(kuò)展接口AXI（Advanced eXtensible Interface）：是ARM公司AMBA 3.0 和AMBA 4.0規(guī)范的一部分，是并行高性能，同步，高頻，多主機(jī)，多從機(jī)通訊接口，主要設(shè)計(jì)用于片上通訊。為啥說(shuō)AXI是AMBA的一部分，看看下面兩個(gè)圖就可以比較清晰的了解。

ZYNQ的高度靈活性

靈活的PS端IO復(fù)用

Multiplexed I/O (MIO)：PS端外設(shè)IO復(fù)用，這是什么概念呢？前面介紹了ZYNQ主要分PS/PL兩大組成模塊，PS端前面介紹的外設(shè)如USB/CAN/GPIO/UART等都必要需要引腳與外界打交道，這里所謂的復(fù)用與常見(jiàn)的單片機(jī)、處理器里引腳復(fù)用的概念一樣。但是（這里劃重點(diǎn)），ZYNQ具有高達(dá)54個(gè)PS引腳支持MIO，MIO具有非常高的靈活度以達(dá)到靈活配置，這給硬件設(shè)計(jì)、PCB布板帶來(lái)了極大的便利！，MIO的配置利用vivado軟件可以實(shí)現(xiàn)靈活配置，如下圖所示。

硬件工程師往往發(fā)現(xiàn)對(duì)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)的布局布線，常常會(huì)很困難，也常因?yàn)椴缓侠淼牟季植季€而陷入EMC深坑。ZYNQ的IO引腳高度靈活性，無(wú)疑在電路設(shè)計(jì)方面提供極大的方便，可實(shí)現(xiàn)非常靈活的PCB布局布線。從而在EMC性能改善方面帶來(lái)了很大便利。

靈活的PS-PL互連接口

Extended Multiplexed I/O (EMIO):擴(kuò)展MIO，如果想通過(guò)PS來(lái)訪問(wèn)PL又不想浪費(fèi)AXI總線時(shí)，就可以通過(guò)EMIO接口來(lái)訪問(wèn)PL。54個(gè)I/O中，其中一部分只能用于MIO，大部分可以用于MIO或EMIO，少量引腳只能通過(guò)EMIO訪問(wèn)。

如上圖，比如I2C0則可以通過(guò)EMIO映射到PL端的引腳輸出，這無(wú)疑又增加了更多的靈活性！

PS-PL接口HP0-HP3：如上架構(gòu)圖中AXI high-performance slave ports (HP0-HP3) 實(shí)現(xiàn)了PS-PL的接口

可配置的32位或64位數(shù)據(jù)寬度

只能訪問(wèn)片上存儲(chǔ)器OCM（On chip memory）和DDR

AXI FIFO接口(AFI)利用1KB FIFOs來(lái)緩沖大數(shù)據(jù)傳輸

PS-PL接口GP0-GP1：如上架構(gòu)圖中AXI general-purpose ports

兩個(gè)PS主接口連接到PL的兩個(gè)從設(shè)備

32位數(shù)據(jù)寬度

一個(gè)連接到CPU內(nèi)存的64位加速器一致端口（ACP）AXI從接口，ACP 是 SCU （一致性控制單元）上的一個(gè) 64 位從機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)從 PL 到 PS 的異步 cache 一致性接入點(diǎn)。ACP 是可以被很多 PL 主機(jī)所訪問(wèn)的，用以實(shí)現(xiàn)和 APU 處理器相同的方式訪問(wèn)存儲(chǔ)子系統(tǒng)。這能達(dá)到提升整體性能、改善功耗和簡(jiǎn)化軟件的效果。ACP 接口的表現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)的 AXI 從機(jī)接口是一樣的，支持大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)讀和寫(xiě)的操作而不需要在 PL 部件中加入額外的一致性操作。

DMA, 中斷, 事件信號(hào)：

處理器事件總線信號(hào)事件信息到CPU

PL外設(shè)IP中斷到PS通用中斷控制器(GIC)

四個(gè)DMA通道RDY/ACK信號(hào)

擴(kuò)展多路復(fù)用I/O (EMIO)允許PS外設(shè)端口訪問(wèn)PL邏輯和設(shè)備I/O引腳。

時(shí)鐘以及復(fù)位信號(hào)：

四個(gè)PS時(shí)鐘帶使能控制連接到PL

四個(gè)PS復(fù)位信號(hào)連接到PL

靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)

PS時(shí)鐘源：

PS端具有4個(gè)外部時(shí)鐘源引腳

PS端具有3個(gè)PLL時(shí)鐘模塊

PS端具有4個(gè)時(shí)鐘源可輸出到PL

PL端具有7個(gè)時(shí)鐘源

PL端時(shí)鐘源域相對(duì)PS端不同

PL端時(shí)鐘可靈活來(lái)自PL端外部引腳，因?yàn)镕PGA的硬可編程性，完全靈活配置

也可使用PS端的4個(gè)時(shí)鐘源

注意

PL和PS之間的時(shí)鐘同步是由PS端處理

PL不能提供時(shí)鐘給PS使用

豐富的IP庫(kù)

Zynq 是一種SoC，具有大量的標(biāo)準(zhǔn) IP，這些部件不再需要重新設(shè)計(jì)而直接可用。以這樣的方式提升了設(shè)計(jì)抽象層級(jí)，加上重用預(yù)先測(cè)試和驗(yàn)證過(guò)的部件，開(kāi)發(fā)將被加速，而成本則可以降低。就像常說(shuō)的：“ 為什么要重新發(fā)明輪子呢？”。

Vivado內(nèi)置了大量的IP可供使用，比如數(shù)學(xué)計(jì)算IP，信號(hào)處理IP、圖像視頻處理IP，通信互連（以太網(wǎng)、DDS、調(diào)制、軟件無(wú)線電、錯(cuò)誤校驗(yàn)）、處理器IP（MicroBlaze等）、甚至人工智能算法IP。

比如信號(hào)處理IP，由于采用FPGA硬邏輯實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理無(wú)需CPU計(jì)算，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號(hào)運(yùn)算（比如實(shí)現(xiàn)一個(gè)非常高階的FIR濾波、多點(diǎn)FFT計(jì)算）具有非常大優(yōu)勢(shì)。

雙ARM硬核處理器

如架構(gòu)圖，ZYNQ內(nèi)置了雙ARM Cortex-A9硬核，對(duì)軟件設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性，在該處理器上可運(yùn)行Linux,Android等復(fù)雜的操作系統(tǒng)，相比常規(guī)FPGA嵌軟核IP的做法具有更強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，你可能會(huì)說(shuō)其處理器的運(yùn)算能力相比時(shí)下的其他ARM芯片或稍有不足，但基本能滿(mǎn)足常規(guī)的醫(yī)療、工業(yè)領(lǐng)域等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用需求。

PL/PS的有機(jī)結(jié)合

通過(guò)前面的簡(jiǎn)要分析介紹，不難發(fā)現(xiàn)PL可編程硬件邏輯及處理器單元的結(jié)合做的非常好。

PL端：可設(shè)計(jì)出高靈活的外設(shè)系統(tǒng)，同時(shí)可編程硬件邏輯電路，可實(shí)現(xiàn)真正的硬并行處理、硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)

PS端：PL端與PS的有機(jī)結(jié)合，有可實(shí)現(xiàn)對(duì)這種高靈活、硬并行、硬實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中軟件管理

試想，如果一個(gè)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)、硬并行，復(fù)雜外設(shè)互連系統(tǒng)：

或許會(huì)采用多微控制器（比如單片機(jī)）+處理器方案，微處理器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)需求，處理器運(yùn)行Linux實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)邏輯的方式。

或者采用FPGA+處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這兩種方案技術(shù)復(fù)雜度都非常高，硬件電路PCB設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，軟件開(kāi)發(fā)以及維護(hù)也會(huì)增加復(fù)雜度。而ZYNQ則可以很好的解決此類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，真正做到system on chip，這也是SOC的一個(gè)很好的體現(xiàn)。

總結(jié)一下

ZYNQ這種高度靈活性，豐富的外設(shè)，豐富的IP庫(kù)，以及vivado強(qiáng)大易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，對(duì)使用ZYNQ進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了非常多優(yōu)勢(shì)。

審核編輯 ：李倩