Vivado中进行ZYNQ硬件部分设计方案

ZYNQ概述

ZYNQ内部包含PS和PL两部分，PS中包含以下4个主要功能模块：

• Application processor unit (APU)
• Memory interfaces
• I/O peripherals (IOP)
• Interconnect

ZYNQ内部的总体框架如所示，PS中包含2个ARM Cortex-9的内核，一些基本的外设扩展口以及Memory接口。PS和PL的相互通信通过两个通路完成，分别是GP（General Purpose）Ports和HP（High Performance）Ports。

GP Ports包含2个Master接口和2个Slave接口，符合标准的AXI协议数据位宽是32bit。HP Ports包含4个接口，全部是PL作为Master；有两个专用的连接到DDR Controller的接口和一个连接到OCM的接口。HP与GP相比，最大的特点在于有额外的FIFO作为Buffer，可以提高传输效率和数据吞吐量。

所以从功能角度，GP Ports主要用于寄存器的读写以及小数据量的传输；HP Ports用于大量数据的传输，主要是Memory数据的读写。

ZYNQ中最常用的设计思路是将主程序放在PS中完成，在PL中设计相应的逻辑功能作为PS的外设使用，将逻辑设计封装成IP，且每个IP都包含一个标准的AXI-Lite接口。PS对于逻辑设计的控制是通过控制逻辑设计的功能寄存器，进而控制逻辑设计进行相应的操作，同时将工作情况通过状态寄存器返回给PS端。如果逻辑设计与PS端需要进行大量数据的交互，则会在逻辑设计中增加AXI-Full接口，与PS的HP Port相连。

综上，ZYNQ设计的基本流程包含以下步骤：

1. Vivado中搭建ZYNQ平台，完成基本外设控制。
2. 创建逻辑设计，并封装成IP。
3. ZYNQ设计中调用封装的IP。
4. 对设计的IP进行仿真。

ZYBO开发板简介

ZYBO是Digilent开发的以XC7Z010-1CLG400C为核心处理器的开发板，其主要功能包括有：

• 1片32bit位宽，512MB容量的 DDR3
• 1个 HDMI port
• 1个VGA source port
• 1个(1Gbit/100Mbit/10Mbit) Ethernet PHY 与RJ45接口
• 1个MicroSD slot
• 1个OTG USB 2.0 PHY
• 1个外部 EEPROM
• 1个耳机输出接口和1个麦克风输入接口
• 1片128Mb QSPI Flash作为加载Flash
• 1个JTAG接口和1个USB-Converter下载接口
• GPIO: 6 pushbuttons, 4 slide switches, 5 LEDs
• 6个 Pmod ports

其板上器件分布情况如图 2和图 3所示。

Vivado中进行ZYNQ硬件部分设计

Step1: Viavdo中选择XC7Z010-1CLG400器件，建立工程。

Step2: 建立Block Design。

Step3: 加入ZYNQ7 Processing System和其他所需要的外设IP。

点击“Add IP”，加入ZYNQ7 Processing System和AXI GPIO，双击IP可以对其进行配置。该实验中ZYNQ7配置使能UART，引脚为MIO48和49，其ZYBO相关电路图如图 5所示。（注：如果需要在Step11中选择Hello World工程，则需要使能UART）。AXI GPIO的位宽设置为4，其余为默认配置。

注意：这里有个地方非常容易出错。在Vivado建立工程选择器件的过程中没有选择ZYBO开发板的配置，而是直接选择的XC7Z010-1CLG400C器件的配置。系统默认的ZYNQ7 Processing System配置中Input Clock Frequency是33.3333MHz，而ZYBO板上为50MHz。此处必须修改过来，否则后面的系统时钟会完全错乱，导致软件工程无法运行。

Step4: 点击“Run Block Automation”，其作用是完成ZYNQ7 Processing System专用引脚的连接，包括FIXED_IO和DDR引脚的连接。

Step5: 点击“Run Connection Automation”，其作用是自动完成ZYNQ与外设的连接，连接是按照工具对于用户所设计系统的理解，如果需要进行修改，可以手动更改Block中的连线。该操作工具会默认增加：

1. AXI interconnect
2. Processor System Reset
3. 自动完成了外设IP的AXI-Lite端口与ZYNQ7 Processing System的连接，默认接法是ZYNQ的FCLK_CLK0作为外设AXI时钟，Processor System Reset产生外设复位信号连接到所有外设的复位端口。
4. 将AXI GPIO的引脚引出。

可以使用“Regenerate Layout”，重新布局Block Design。

Step6: 在“Address Editor”中查看、修改外设在总线上的地址。

Step7: 首先在Block design界面右击弹出的菜单中点击Validate Design，以验证Block Design的设计和连接是否有错误。至此Block Design完成了，但是还需要根据Block Design的配置生成相应的源代码。右击.bd设计，并选择“Create HDL Wrapper”。随后即生成了相应的HDL代码。

Step8: 对于PL端的外接引脚，需要设置相应的Constraints。

Step9: 与普通FPGA设计一样，完成Synthesis、Implementation和Generate Bitstream。

Step10: 将Step9中完成的硬件设计导入到SDK开发平台下。

Step11: 从这一步开始，开发平台转移到SDK平台。此时硬件平台已经确定，接下来是软件的开发。首先在SDK中建立软件工程。

Step12: 在新建工程中完成C代码的设计。

#include
#include
#include "xparameters.h"
#include "sleep.h"
#include "platform.h"

int main()
{
XGpio output;
int Status;
/*
* Initialize the GPIO driver so that it's ready to use,
* specify the device ID that is generated in xparameters.h
*/
Status = XGpio_Initialize(&output, XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID);
if (Status != XST_SUCCESS) {
return XST_FAILURE;
}
/* Set the direction for all signals to be outputs */
XGpio_SetDataDirection(&output, 1, 0x0);
init_platform();
while(1){
usleep(200000); //delay
XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0x0);
usleep(200000); //delay
XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0xF);
};
cleanup_platform();
return 0;
}

Step13: 首先点击“Program FPGA”，将硬件平台下载到ZYNQ中。

Step14: 运行软件工程进行调试。

在ZYBO板上也能看到LED灯闪烁，至此完成了ZYNQ的一个基本设计的所有开发流程。

DK中进行ZYNQ软件部分设计

首先对“Vivado中进行ZYNQ硬件部分设计”中让LED闪烁的C代码做详细的注释。

int main()

{

/*定义外设对于的类型指针，用于绑定外设，便于后面程序调用时选择

* 外设

*/

XGpio output;

int Status;

/* XGpio_Initialize()函数是xgpio.c中的函数，在BSP Documentation可以

* 查到该函数的描述。

* int XGpio_Initialize(XGpio * InstancePtr, u16 DeviceId)

* InstancePtr为GPIO类型的指针

* DeviceId是在板级配置中已经定义好的外设的ID，该定义包含在BSP的xparameters.h中

* 即在xparameters.h已经为该硬件设计中的每一种类型的多个外设设置了唯一的ID

* 例如设计中如果有2个GPIO外设，则ID分别为0和1.

* 该语句完成之后将ID对应的外设对象与该指针进行了绑定，后面可以通过调用该指针指

* 定到该外设

*/

Status = XGpio_Initialize(&output, XPAR_GPIO_0_DEVICE_ID);

if (Status != XST_SUCCESS) {

return XST_FAILURE;

}

/* void XGpio_SetDataDirection (XGpio * InstancePtr,

* unsigned Channel,u32 DirectionMask )

* InstancePtr：外设指针，用于指定到对应的外设设备，已经与外设绑定

* Channel: 每个AXI_GPIO中可以有两个32bit的GPIO端口，该参数用来

* 选择是该外设中的哪一个端口

* DirectionMask：选择GPIO的方向，0为output，1为input

* 该函数的作用是设置GPIO的方向，如前所述，可以通过output指定到

* 该GPIO外设，

*/

XGpio_SetDataDirection(&output, 1, 0x0);

//初始化ARM内核

init_platform();

while(1){

usleep(200000); //delay

XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0x0);

usleep(200000); //delay

XGpio_DiscreteWrite(&output, 1, 0xF);

};

cleanup_platform();

return 0;

}

以上调用的这些函数，其定义及使用方法全部可以在BSP（Board Support Package）板级支持包中找到。当在Vivado平台中设计完成硬件，将其导入到SDK平台时，工具会根据硬件设计中使用到的外设，自动生成相应的板级支持包。在SDK的“Project Explorer”界面中可以查看，并且可以在其中打开相应的BSP说明文档，如图 18所示。

但是虽然BSP中提供了所有相关的API函数，但是对于初学者来说，想搭建一个可以实现基本功能的平台还是有些困难。于是另一个方法是利用SDK生成新的Application时提供的Peripheral Test模板。

该模板生成的代码中，在主函数中找到相应外设的测试函数，例如本例中GPIO的测试函数“GpioOutputExample()”，再通过追述该函数的具体实现，可以一定程度上作为最基本的范例代码。

如果再进一步深入到ARM编程的本质，其实与硬件的所有控制和通信都是依靠读写底层的寄存器来完成的。例如如果查看一下“XGpio_SetDataDirection()”函数的底层实现，可以发现逐级调用的分别是“XGpio_WriteReg()”函数和“XGpio_Out32()”函数，而“XGpio_Out32()”调用的是“Xil_Out32()”。 其实“Xil_Out32()”和“Xil_In32()”这两个函数分别是写读底层硬件寄存器的两个函数，所有的上层与底层的寄存器级别的通信，也就是绝大多数的外设控制，都是依靠这两个函数完成的。

编辑：hfy