FPGA学习笔记（3）——正点原子ZYNQ7000简介

news2024/11/27 13:52:06

1 ZYNQ-7000简介

ZYNQ 是由两个主要部分组成的：一个由双核 ARM Cortex-A9 为核心构成的处理系统（PS，Processing System），和一个等价于一片 FPGA 的可编程逻辑（PL，Programmable Logic）部分。两者之间通过AXI高速接口连接。
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1.1 ZYNQ PL简介

PL（可编程逻辑）就是FPGA，FPGA基本结构：
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1、可编程I/O单元：
FPGA上的每一个通用输入输出功能（IOB）都有一个焊盘，与芯片外部连接用作信号的输入输出。

2、基本可编程逻辑单元：
FPGA基于SRAM工艺，基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表（LUT）和寄存器（Register）组成。Xilinx 7系列的FPGA为6输入查找表。

Xilinx 7系列的FPGA中的可编程逻辑单元称为CLB（可配置逻辑块），每个CLB中包含两个逻辑片（Slice）。每个 Slice 由 4 个查找表、8 个触发器和其他一些逻辑所组成的。
CLB示意图如下：

3、嵌入式块RAM：
目前大多数 FPGA 都有内嵌的块 RAM（Block RAM），FPGA 内部嵌入可编程 RAM 模块。绿色的长条方块就是Block RAM。
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除了块 RAM，还可以灵活地将 LUT 配置成 RAM，ROM，FIFO 等存储结构，这种技术被称为分布式 RAM。

4、丰富的布线资源：
布线资源连通 FPGA 内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA 芯片内部有着丰富的布线资源，这些布线资源根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4 类不同的类别：
第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；
第二类是长线资源，用以完成芯片 Bank 间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；
第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；
第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

5、底层嵌入功能单元：
PLL（Phase Locked Loop）、DLL（Delay Locked Loop）、DSP、CPU 等。

6、内嵌专用硬核：
数模混合模块（XADC），就是一个硬核。XADC包含两个模数转换器（ADC），一个模拟多路复用器，片上温度和片上电压传感器等。我们可以利用这个模块监测芯片温度和供电电压，也可以用来测量外部的模拟电压信号。

PL架构示意图：
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1.2 ZYNQ PS简介

PS为双核 ARM Cortex-A9 为核心构成的处理系统，形成了一个应用处理器单元（Application Processing Unit，APU），另外还有扩展外设接口、cache 存储器、存储器接口、互联接口和时钟发生电路等。

在 ZYNQ 中，PL 和 PS 两部分的供电电路是独立的，这样 PS 或 PL 部分不被使用的话就可以被断电。

PS系统示意图如下：

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1、APU：
一致性控制单元（SCU）在ARM核心、二级Cache缓存和OCM存储器之间形成了桥接。SCU还部分负责与PL 对接，图中没有标明这个接口。
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2、外部接口：
SPI、I2C、CAN、UART、GPIO、SD、USB、GigE。

3、存储器接口：
包含一个动态存储器控制器和几个静态存储器接口模块。动态存储器控制器可以用于 DDR3、DDR3L、DDR2 或 LPDDR2。静态存储器控制器支持一个 NAND 闪存接口、一个 Quad-SPI 闪存接口、一个并行数据总线和并行 NOR 闪存接口。

4、片上存储器：
片上存储器包括 256kB 的 RAM（OCM）和 128kB 的 ROM（BootROM）。OCM 支持两个 64 位 AXI 从机接口端口，一个端口专用于通过 APU SCU 的 CPU/ACP 访问，而另一个是由 PS 和 PL 内其他所有的总线主机所共享的。BootROM 是 ZYNQ 芯片上的一块非易失性存储器，它包含了 ZYNQ 所支持的配置器件的驱动。BootROM 对于用户是不可见的，专门保留且只用于引导的过程。

5、AXI接口：
AXI 的英文全称是 Advanced eXtensible Interface，即高级可扩
展接口，它是 ARM 公司所提出的 AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）协议的一部分。
在 PS 和 PL 之间的主要连接是通过一组 9 个 AXI 接口，每个接口有多个通道组成。这些形成了 PS 内部的互联以及与 PL 的连接，如下图所示：

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PS 和 PL 之间的 9 个 AXI 接口可以分成三种类型：
1、通用 AXI（General Purpose AXI）：一条 32 位数据总线，适合 PL 和 PS 之间的中低速通信。接口是透传的不带缓冲。总共有四个通用接口：两个 PS 做主机，另两个 PL 做主机。
2、加速器一致性端口（Accelerator Coherency Port）：在 PL 和 APU 内的 SCU 之间的单个异步连接，总线宽度为 64 位。这个端口用来实现 APU cache 和 PL 的单元之间的一致性。PL 是做主机的。
3、高性能端口（High Performance Ports）：四个高性能 AXI 接口，带有 FIFO 缓冲来提供“批量”读写操作，并支持 PL 和 PS 中的存储器单元的高速率通信。数据宽度是 32 或 64 位，在所有四个接口中 PL 都是做主机的。

接口名	接口描述	主机	从机
M_AXI_GP0	通用AXI（AXI_GP）	PS	PL
M_AXI_GP1	通用AXI（AXI_GP）	PS	PL
S_AXI_GP0	通用AXI（AXI_GP）	PL	PS
S_AXI_GP1	通用AXI（AXI_GP）	PL	PS
S_AXI_ACP	加速器一致性端口（ACP），缓存一致性交互	PL	PS
S_AXI_HP0	带有读写FIFO的高性能端口（AXI_HP）	PL	PS
S_AXI_HP1	带有读写FIFO的高性能端口（AXI_HP）	PL	PS
S_AXI_HP2	带有读写FIFO的高性能端口（AXI_HP）	PL	PS
S_AXI_HP3	带有读写FIFO的高性能端口（AXI_HP）	PL	PS

1.3 正点原子ZYNQ7000核心板及底板简介

ZYNQ 芯片采用 Xilinx 公司的 ZYNQ7000 系列芯片，ZYNQ-7020 核心板的 ZYNQ 芯片型号为 XC7Z020CLG400-2，PL 逻辑单元多达 85K，BRAM 存储资源为 4.9Mbit；
ZYNQ-7010核心板的 ZYNQ 芯片型号为 XC7Z010CLG400-1，PL 逻辑单元多达 28K，BRAM 存储资源为2.1Mbit；
两种 ZYNQ 芯片的处理器系统均为双核 Cortex-A9 结构。

需要注意的是，ZYNQ-7020核心板主控芯片的速度等级为“-2”（最高766MHz），ZYNQ-7010 核心板主控芯片的速度等级为“-1”（最高666MHz），因此 ZYNQ-7020 核心板主控芯片的速度等级更高，所支持的频率也更高。

2 片 DDR3 SDRAM，ZYNQ-7020 核心板的 DDR3 型号为NT5CC256M16，每片 4Gbit，总容量为 8Gbit（1GB）；
ZYNQ-7010 核心板的 DDR3 型号为 NT5CC128M16，每片 2Gbit，总容量为 4Gbit（512MB）。
组成双路DDR3的原因：提高带宽，增大读写能力。

7020核心板资源：
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