ZYNQ架構(gòu)知識(shí)

ZYNQ架構(gòu)

雙核ARM Cortex-A9 處理器：ARM Cortex-A9 是一個(gè)應(yīng)用級(jí)的處理器，能運(yùn)行完整的像Linux 這樣的操作系統(tǒng)

傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）邏輯部件：基于Xilinx 7 系列的FPGA 架構(gòu)

這個(gè)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的AXI 接口，在芯片的兩個(gè)部分之間實(shí)現(xiàn)了高帶寬、低延遲的連接。

這意味著處理器和邏輯部分各自都可以發(fā)揮最佳的用途，而不會(huì)有在兩個(gè)分立的芯片之間的那種接口開(kāi)銷。

外設(shè)是處理器之外的功能部件，一般從事三種功能之一：（一）協(xié)處理器—— 輔助主處理器的單元，往往是被優(yōu)化用于特定任務(wù)；（二）與外部接口交互的核心，如連接到LED 和開(kāi)關(guān)、編解碼器等等；（三）額外的存儲(chǔ)器單元。

PS具有固定的架構(gòu)，承載了處理器和系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)

而PL完全是靈活的，給了設(shè)計(jì)者一面“ 空白畫(huà)布” 來(lái)創(chuàng)建定制的外設(shè)，或重用標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)。

ZYNQ的SoC設(shè)計(jì)流基本模型

ZYNQ芯片

處理器系統(tǒng)（PS）

ARM是一顆“硬”處理器，硬件處理器以外的另一種方案，就像Xilinx 的MicroBlaze這樣的“軟”處理器，這是由可編程邏輯部分的單元組合而成的。也就是說(shuō)，一個(gè)軟處理器的實(shí)現(xiàn)和部署在FPGA 的邏輯結(jié)構(gòu)里的任何其他IP 包是等價(jià)的。要求不高的任務(wù)可以從主的ARM Cortex-A9 處理器上脫離出來(lái),分配給軟處理器，軟處理器與ARM協(xié)同工作，提升整體性能

PS里并非只有ARM 處理器，還有一組相關(guān)的處理資源，形成了一個(gè)應(yīng)用處理器單元（Application Processing Unit，APU），另外還有擴(kuò)展外設(shè)接口、cache 存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器接口、互聯(lián)接口和時(shí)鐘發(fā)生電路

處理器系統(tǒng)外部接口——PS 和外部接口之間的通信主要是通過(guò)復(fù)用的輸入/ 輸出（Multiplexed Input/Output，MIO）實(shí)現(xiàn)的。這樣的連接也可以通過(guò)擴(kuò)展EMIO （ExtendedMIO，EMIO）來(lái)實(shí)現(xiàn)，EMIO 并不是PS 和外部連接之間的直接通路，而是通過(guò)共用了PL 的I/O 資源來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

可用的I/O 包括標(biāo)準(zhǔn)通信接口（SPI,I2C,USB,SD,CAN,UART,GigE）和通用輸入/ 輸出（General Purpose Input/Output，GPIO）

可編程邏輯（PS）

LUT-查找表（https://www.cnblogs.com/lbf-19940424/p/6564885.html）

FF-觸發(fā)器，一個(gè)實(shí)現(xiàn)1 位寄存的時(shí)序電路，帶有復(fù)位功能。FF 的一種用處是實(shí)現(xiàn)鎖存。

CLB-可配置編程邏輯塊

IOB-輸入/ 輸出塊（Input/Output Blocks，IOB）-實(shí)現(xiàn)了PL 邏輯資源之間的對(duì)接，并且提供物理設(shè)備“ 焊盤” 來(lái)連接外部電路。每個(gè)IOB 可以處理一位的輸入或輸出信號(hào)。IOB 通常位于芯片的周邊。

除了通用的部分，還有兩個(gè)特殊用途的部件：滿足密集存儲(chǔ)需要的塊RAM和用于高速算術(shù)的DSP48E1片

通用輸入輸出IOB

通信接口--包括PCIExpress、串行RapidIO、SCSI 和SATA

其他可編程邏輯擴(kuò)展接口--XADC，時(shí)鐘，編程與調(diào)試

處理器系統(tǒng)與可編程邏輯的接口

1、AXI標(biāo)準(zhǔn)--Advanced eXtensible Interface

有三類AXI4總線協(xié)議

? AXI4 [2] — 用于存儲(chǔ)映射鏈接，它支持最高的性能：通過(guò)一簇高達(dá)256 個(gè)數(shù)據(jù)字（或“ 數(shù)據(jù)拍（data beats）”）的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)給定一個(gè)地址。
? AXI4-Lite [2] — 一種簡(jiǎn)化了的鏈接，只支持每次連接傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)（非批量）。AXI4-Lite也是存儲(chǔ)映射的：這種協(xié)議下每次傳輸一個(gè)地址和單個(gè)數(shù)據(jù)。

? AXI4-Stream [1] — 用于高速流數(shù)據(jù)，支持批量傳輸無(wú)限大小的數(shù)據(jù)。沒(méi)有地址機(jī)制，這種總線類型最適合源和目的地之間的直接數(shù)據(jù)流（非存儲(chǔ)器映射）

互聯(lián)（Interconnect）— 互聯(lián)實(shí)際上是一個(gè)開(kāi)關(guān)，管理并直接傳遞所連接的AXI 接口之間的通信。在PS 內(nèi)有幾個(gè)互聯(lián)，其中有些還直接連接到PL （如圖2.9），而另一些是只用于內(nèi)部連接的。這些互聯(lián)之間的連接也是用AXI 接口所構(gòu)成的。
接口（Interface）— 用于在系統(tǒng)內(nèi)的主機(jī)和從機(jī)之間傳遞數(shù)據(jù)、地址和握手信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。（M-主機(jī)，S-從機(jī)）

? 通用AXI（General Purpose AXI） — 一條32 位數(shù)據(jù)總線，適合PL 和PS 之間的中低速通信。接口是透?jìng)鞯牟粠Ь彌_?？偣灿兴膫€(gè)通用接口：兩個(gè)PS 做主機(jī)，另兩個(gè)PL 做主機(jī)。
? 加速器一致性端口（Accelerator Coherency Port） — 在PL 和APU 內(nèi)的SCU之間的單個(gè)異步連接，總線寬度為64 位。這個(gè)端口用來(lái)實(shí)現(xiàn)APU cache 和PL的單元之間的一致性。PL 是做主機(jī)的。
? 高性能端口（High Performance Ports） — 四個(gè)高性能AXI 接口，帶有FIFO緩沖來(lái)提供“ 批量” 讀寫(xiě)操作，并支持PL 和PS 中的存儲(chǔ)器單元的高速率通信。數(shù)據(jù)寬度是32 或64 位，在所有四個(gè)接口中PL 都是做主機(jī)的。

表 2.2 給出給出了每個(gè)接口的簡(jiǎn)述，標(biāo)出了主機(jī)和從機(jī) （按照慣例，主機(jī)是控制總線并發(fā)起會(huì)話的，而從機(jī)是做響應(yīng)的）。注意接口命名的規(guī)范（在表 2.2 的第一列）是表示了 PS 的角色的，也就是說(shuō)，第一個(gè)字母 “M” 表示 PS 是主機(jī)，而第一個(gè)字母 “S” 表示 PS 是從機(jī)。

2、EMIO接口

3、其他PL-PS信號(hào)

跨越PS-PL 邊界的其他信號(hào)包括看門狗定時(shí)器、重啟信號(hào)、中斷和DMA 接口信號(hào)。

安全

總結(jié)

附議：

本人覺(jué)得除了整體架構(gòu)的創(chuàng)新，靈活的IO也是ZYNQ成為受歡迎的一部分：

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