从零开始学ZYNQ(FPGA)笔记二 | 认识学习内容

通信和网络：FPGA可以实现高速的数据传输和处理功能，支持多种通信协议和标准，如5G、WiFi、Ethernet等；
数据中心和云计算：FPGA可以实现高效的数据加密和压缩功能，支持多种云服务和平台，如AWS、Azure等；
人工智能和机器学习：FPGA可以实现高性能的神经网络和深度学习功能，支持多种模型和算法，如CNN、RNN等；
嵌入式系统和物联网：FPGA可以实现低功耗的智能控制和传感功能，支持多种嵌入式操作系统和物联网协议，如Linux、MQTT等；
数字信号处理和图像处理：FPGA可以实现高精度的信号采集和分析功能，支持多种信号处理和图像处理算法，如FFT、DCT、OpenCV等；
工业控制和汽车电子：FPGA可以实现高可靠的工业控制和汽车电子功能，支持多种工业总线和汽车标准，如CAN、FlexRay等；

学习FPGA可以提高自己的硬件设计能力和创新能力，可以实现自己的想法和算法，可以解决实际的问题和挑战，可以参与到前沿的技术和项目中；

FPGA的编程过程

FPGA编程通过使用硬件描述语言（HDL）或其他工具来定义和配置FPGA上的逻辑电路。FPGA编程的主要步骤包括：

硬件架构设计：确定FPGA的输入输出接口，时钟频率，资源利用率等；
设计：使用HDL（如VHDL或Verilog）或其他工具（如MATLAB或Simulink）来描述硬件逻辑，实现算法功能；
验证：使用仿真或测试平台来检查设计是否符合预期，是否存在错误或缺陷；
综合：将HDL代码转换为适合FPGA的逻辑门电路，优化性能和资源消耗；
集成：将设计与FPGA的固有资源（如引脚，时钟，ADC等）以及外部设备（如内存，传感器等）进行连接和配置；
实现：将综合后的逻辑门电路映射到FPGA的物理资源上，并进行布局和布线，生成可以下载到FPGA的比特流文件；
实验测试和调试：将比特流文件下载到FPGA上，并使用真实或测试输入来运行和观察结果，发现并解决问题；

2. 认识ARM

什么是ARM

ARM（Acorn RISC Machine）是一家英国的半导体公司，它设计和授权处理器IP，提供了多种性能、功耗和成本需求的处理器。ARM的处理器包括：

Cortex-A系列：面向性能密集型系统的应用处理器内核；
Cortex-R系列：面向实时应用的高性能内核；
Cortex-M系列：面向各类嵌入式应用的微控制器内核；
Neoverse：满足大型互联网和 HPC高性能计算应用需求的高性能内核；
Ethos：专门用于加速人工智能和机器学习的神经处理器内核；
SecurCore：基于Cortex-M3核的高安全性微控制器内核；

ARM的处理器广泛应用于智能手机、平板电脑、物联网设备、云计算、汽车电子、嵌入式系统等领域；

ARM与FPGA的区别

ARM与FPGA的区别主要有以下几点：

ARM的功能主要是执行软件指令，实现数据处理、事务管理、界面显示、应用程序等功能，它可以运行多种操作系统和开发环境，也可以调用多种现成的硬件资源；
FPGA的功能主要是实现硬件逻辑，实现数据加速、并行处理、信号处理、图像处理等功能，它可以根据不同的需求和设计来配置电路功能，也可以通过添加软核或硬核来实现处理器功能；
ARM和FPGA的功能可以相互补充，也可以相互竞争，取决于具体的应用场景和性能要求。一般来说，ARM更适合控制类的应用，而FPGA更适合计算类的应用；
ARM与Linux

Linux是一种开源的操作系统，可以根据不同的需求和环境来定制和优化，具有灵活性高、兼容性强、稳定性好等特点，适用于多种应用场景，如嵌入式系统、物联网设备、数据中心等。在ARM上运行Linux可以充分利用ARM的处理能力和节能特性，可以提高系统的性能和效率，可以降低系统的成本和功耗，可以增加系统的功能和可扩展性；

在ARM上运行的Linux系统有很多种，例如：

Arch Linux ARM：基于Arch Linux的分支，提供了一个轻量级、灵活、可定制的Linux系统，支持多种ARM设备；
Debian ARM：基于Debian的分支，提供了一个稳定、成熟、兼容的Linux系统，支持多种ARM设备；
Armbian：基于Debian或Ubuntu的分支，专门为ARM开发板定制的Linux系统，提供了优化的性能和稳定性；
Linux Mint Debian Edition (LMDE)：基于Debian Testing的分支，提供了一个友好、美观、功能丰富的Linux系统，支持多种ARM设备；
Manjaro ARM：基于Manjaro的分支，提供了一个快速、现代、易用的Linux系统，支持多种ARM设备；
Ubuntu Server ARM：基于Ubuntu Server的分支，提供了一个适用于云计算和边缘计算的Linux系统，支持多种ARM服务器设备；

3. 认识ZYNQ

ZYNQ与FPGA的区别

ZYNQ（zynq-7000 All Programmable SoC）是Xilinx推出的新一代全新可编程片上系统，在传统FPGA芯片的基础上集成了1-2个ARM处理器，同时具备了软件可编程和硬件可编程的特性，将ARM的控制能力和FPGA的计算性能完美结合，提供无与伦比的系统性能、灵活性和可扩展性；

ZYNQ与FPGA的区别主要有以下几点：

ZYNQ相比FPGA，具有更强的处理能力和灵活性，可以利用ARM处理器实现复杂的软件功能和控制逻辑，也可以利用可编程逻辑实现硬件加速和算法优化；
FPGA相比ZYNQ，具有更高的自由度和定制性，可以根据不同的需求和设计来配置电路功能，也可以通过添加软核或硬核来实现处理器功能；

除此之外，ZYNQ内部ARM部分和FPGA部分的完美结合，是普通FPGA无法做到的；

ZYNQ的"ARM"和"FPGA"

ZYNQ具备ARM Cortex-A9内核和28nm Artix 7 FPGA结构，在ZYNQ片内被称为PS和PL：

PS（Processing System）是指处理系统，它包括双核ARM Cortex-A9处理器和一系列的片上外设，如内存控制器、DMA控制器、USB控制器、以太网控制器等；
PL（Programmable Logic）是指可编程逻辑，它包括基于Artix-7或Kintex-7的可编程逻辑单元，如可配置逻辑块、DSP块、BRAM块等；
ZYNQ的PS和PL之间通过多种AXI接口进行连接和通信，可以实现软硬件协同设计，提高系统的性能和灵活性；

PL和PS虽是ZYNQ片内的两个主要部分，但二者既可以协同工作，又可以独立工作；

关于PL

了解PL首先要了解什么是PLD，早期生产的数字集成电路逻辑功能都是固定不变的。要想改变它的逻辑功能，就必须改变内部各单元电路之间的连接，而这种连接在集成电路制作过程中已经固定下来了。

为了提高灵活性，出现了允许用户自行修改内部连接的集成电路：可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）

PLD内部的电路结构可以通过写入编程数据来设置；
写入PLD的编程数据还可以擦除重写；

FPGA是一种PLD，除FPGA（现场可编程门阵列）外，CPLD（复杂可编程逻辑器件）也属于PLD，二者的本质区别是：

CPLD：基于“乘积项”的与或逻辑阵列；
FPGA：基于“查找表”（LUT，Look UP Table）的CLB阵列；

PL与FPGA的结构相同

图1 FPGA架构

FPGA的架构是指FPGA内部的组成和连接方式，它决定了FPGA的功能和性能。根据图1，FPGA的基本架构包括以下几个部分：

可编程IO单元（I/O）：这些物理端口将数据输入和输出FPGA，可以根据不同的信号标准和电压水平进行配置；
可编程逻辑单元（LC）：这些是执行逻辑运算的基本单元，通常由查找表（LUT）、触发器（FF）和多路复用器等组成。LUT可以存储任意的逻辑函数，FF可以存储LUT的结果。不同的FPGA有不同数量和类型的输入的LUT，如输入LUT、输入LUT等；
布线资源：这些是将各种元件彼此连接的导线和开关，可以实现不同的信号路径。布线资源的数量和质量影响了FPGA的逻辑密度和时序性能。
嵌入式块式 RAM（BRAM）：这些是用于存储数据的内存模块，可以配置为不同的位宽和深度，也可以级联成更大的内存空间。BRAM可以提供高速、低功耗、低延迟的数据访问。
数字时钟管理模块（CMT）：这些是用于产生、分配和调整时钟信号的模块，包括相位锁定环（PLL）、延迟锁定环（DLL）、时钟缓冲器等。CMT可以提供多种频率和相位的时钟信号，实现时钟域之间的转换和同步。
内嵌专用硬核：这些是用于实现特定功能的硬件模块，如乘法器、累加器、DSP切片、PCI Express接口等。内嵌专用硬核可以提高FPGA的计算能力和接口兼容性，降低逻辑资源和功耗的消耗。
底层内嵌功能单元：这些是用于实现一些底层功能的单元，如配置逻辑、JTAG接口、电源管理等。底层内嵌功能单元可以保证FPGA的正常工作和可靠性。

ZYNQ系列的PL结构如图2所示，可以与FPGA的结构进行对照；

图2 ZYNQ的PL结构

ZYNQ7010和7020都使用了Artix-7的结构，可以看到，除了基本的结构，ZYNQ系列的PL还具备了如GTX transceiver和PCIE等独特结构，但ZYNQ7010和7020不包含这些结构；

关于PS

PL与PS在片内的结构如图3所示，可以看到两个结构基本是分开的

图3 PL和PS的片内结构

PS最重要的部分是图3中的应用处理单元APU（Application Processing Unit），如图4所示

图4 APU结构

可以看到，APU内部不仅有Cortex-A9内核，还包含了FPU浮点运算单元，NEON SIMD (Single Instruction Multiple Data 单指令多重数据) 指令集，MMU存储管理单元，一级cache（I代表指令cache，D代表数据cache），窥探控制单元SCU（Snoop Controller），私有看门狗AWDT，定时器TIMER，二级cache（双核公用），片上内存OCM，中断控制器GIC，直接存储器访问DMA等；

PS内部APU外部，结合图片分析，就可以理解APU与外部的连接方式，比较重要的是Central interconnect模块，负责控制APU与各模块之间的连接，除控制通信接口，还包含了对动态存储器访问（DDR3）和静态存储器（QSPI Flash）访问；

PS连接外部，结合图片分析，PS与PL的连接，GP接口（General-Purpose Port），HP接口（High-Performance Ports）和ACP（Accelerator Coherency Port）都属于AXI片内通信协议，图5描述了GP接口和ACP的结构

图5 GP接口的结构

由图5看出，ACP用于访问SCU实现PL和PS二级cache与SRAM的高速存取，GP接口用于通用的PL和PS通信，并且区分M（Master）和S（Slave）通信机制，HP接口用于高速通信，并且通信自带FIFO，连接在存储仲裁器（memory interconnect），可用于访问DDR3，适合大量数据流传输；

接口名称	接口描述	主设备	从设备
M_AXI_GP0	通用接口（AXI_GP）	PS	PL
M_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PS	PL
S_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PL	PS
S_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PL	PS
M_AXI_ACP	ACP 缓存（cache）一致性传输	PL	PS
M_AXI_HP1	带有读写FIFO的高速接口（需要注意HP有时被称为AXI FIFO interface[AXI FIFO接口]，或者AFIs）	PL	PS
M_AXI_HP1		PL	PS
S_AXI_HP1		PL	PS
S_AXI_HP1		PL	PS

AXI是高级微控制器总线架构（AMBA3.0/4.0）的一部分，全称高级扩展接口（Advanced Extensible Interface），ZYNQ使用的是AMBA4.0标准中的AXI-4，分为memory map，stream和lite三种，如图6所示；

图6 AMBA与AXI

除了AXI接口之外，还包含了IO拓展EMIO，XADC（来自PL硬核），DMA，IRQ，AEX/SHA配置（此配置用于PS配置PL的启动，代表了PS和PL不是完全独立的，ZYNQ整个设计是以ARM处理器为中心的，PS端的ARM内核可以独立于PL端运行，值得注意的是，虽然PL端也可以独立于PS端运行，但是PL的配置是由PS端完成的，所以不能采用传统的固化FLASH的方式固化PL端程序）等连接；

4. 学习用板载资源

主芯片 ZYNQxc7z010 677M（-1） 28k Programmable Logic Cells
512MB DDR3 (4Gbit)
TF卡槽（可负责TF启动）
128Mbit（16MB）QSPI FLASH（可负责启动）
一路EEPROM 2KB (PS)
两路 LED 灯（PL）
两个按键 (PL) +一个控制系统POR复位的按键
一路UART（PS）
一路板载XILINX 下载器 JTAG
一路USB 可作USB SLAVE 或USB HOST
引出 68路GPIO
千兆以太网（PL）
HDMI 输出接口支持1080P 60hz
1.47寸彩色LCD 显示屏 172X320 （PL）
50M有源晶振（PL）

5. 总结

笔记对应课程：

图片来自正点原子课程PPT，笔记中有自己理解的内容，如有错误，欢迎指正

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