基于ZYNQ芯片架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)域也越來越廣泛，本文來從對 ZYNQ 芯片架構(gòu)的理解來談?wù)剛€(gè)人體會(huì)。

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 的對稱多處理器 （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 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)開發(fā)。自成立以來，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 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 PS 來訪問 PL 又不想浪費(fèi) AXI 總線時(shí)，就可以通過 EMIO 接口來訪問 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 EMIO 訪問。

如上圖，比如 I2C0 則可以通過 EMIO 映射到 PL 端的引腳輸出，這無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

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

AXI FIFO 接口（AFI）利用 1KB FIFOs 來緩沖大數(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)所訪問的，用以實(shí)現(xiàn)和 APU 處理器相同的方式訪問存儲(chǔ)子系統(tǒng)。這能達(dá)到提升整體性能、改善功耗和簡化軟件的效果。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：

處理器事件總線信號事件信息到 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

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

時(shí)鐘以及復(fù)位信號：

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 PS 端不同

PL 端時(shí)鐘可靈活來自 PL 端外部引腳，因?yàn)?FPGA 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

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，加上重用預(yù)先測試和驗(yàn)證過的部件，開發(fā)將被加速，而成本則可以降低。就像常說的：“ 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。

比如信號處理 IP，由于采用 FPGA 硬邏輯實(shí)現(xiàn)信號處理無需 CPU 計(jì)算，對于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號運(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。

雙 ARM 硬核處理器

如架構(gòu)圖，ZYNQ 內(nèi)置了雙 ARM Cortex-A9 硬核，對軟件設(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

通過前面的簡要分析介紹，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，以及 vivado 強(qiáng)大易用的開發(fā)環(huán)境，對使用 ZYNQ 進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了非常多優(yōu)勢。
編輯：hfy