揭開Zynq Z-7000從SPI接口掛載的flash啟動(dòng)的神秘面紗

各位在開發(fā)FPGA產(chǎn)品的時(shí)候，不僅需要熟知板子上的硬件，還要在硬件上運(yùn)行代碼，想要觀測(cè)硬件上代碼的運(yùn)行是可以通過邏輯分析儀這種硬件調(diào)試儀器來進(jìn)行的。內(nèi)置有Xilinx Spartan-6 FPGA的Digital Discovery提供了高速的邏輯分析功能，能夠讓開發(fā)者觀察和分析板子上的信號(hào)流，同時(shí)，今天給各位介紹另外一款Xilinx公司芯片的產(chǎn)品Zynq Z-7000 SoC，我們一起來揭開它從SPI接口掛載的flash啟動(dòng)的神秘面紗。

Zynq板從SPI端口的flash啟動(dòng)的過程，使用的儀器是Digilent公司的Digital Discovery。使用Digital Discovery而不是邏輯分析儀的原因有兩個(gè)，首先，QSPI傳輸是在較高的時(shí)鐘頻率下進(jìn)行的，在此案例中很可能就超過了100MHz，所以需要較高的采樣率；其次，Digital Discovery有著512 MB的DDR，能夠存儲(chǔ)更多的采集過來的信號(hào)樣本。那么，說了這么多的理論，各位是不是已經(jīng)想知道怎么才能使Digital Discovery和Zynq連接到一起呢？具體的連接方式如圖.1所示，將Digital Discovery的邏輯采樣端口接到Zynq的falsh芯片的相應(yīng)的引腳上，然后將Digital Discovery通過USB跟PC機(jī)相連接，用上位機(jī)Waveforms來進(jìn)行信號(hào)的采集和處理。

圖.1 用Digital Discovery邏輯分析儀捕獲Zynq Z-7000 SoC的啟動(dòng)信號(hào)的連接方法

最大的QSPI時(shí)鐘頻率大約是100MHz，當(dāng)啟動(dòng)的時(shí)候，整體的啟動(dòng)時(shí)間大約是700ms，這就需要很大的采樣率，Digital Discovery能支持這樣的頻率，268萬條指令在200MHz的傳輸條件下需要1.3秒的時(shí)間。設(shè)置在CS信號(hào)的下降沿觸發(fā)采樣，數(shù)據(jù)的采樣需要占用大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存，而且處理數(shù)據(jù)的時(shí)間也是相對(duì)較長(zhǎng)的。圖.2展示了整體的QSPI的傳輸波形圖。注意在所獲得波形的最左邊時(shí)鐘的頻率從5.4MHz變到了25MHz。

圖.2 Digilent公司的Digital Discovery邏輯分析儀捕獲Zynq Z-7000啟動(dòng)的全過程

如果想要去理解數(shù)據(jù)傳輸所代表的意思，可以參考Zynq TRM和對(duì)應(yīng)flash的數(shù)據(jù)手冊(cè)。指令從Zynq傳輸?shù)絝lash通常是通過SPI的D0引腳，第一個(gè)指令發(fā)送的是0x03 0x00 0x00 0x20（圖.3的紅色框框部分），此指令的意思是SPI READ，讀的地址是0x20；相應(yīng)的，收到的回復(fù)信號(hào)是經(jīng)過SPI的D1引腳獲得的，收到的信號(hào)為0x66 0x55 0x99 0xaa（圖.3的藍(lán)色框框部分所示），在Zynq TRM的170頁(yè)到179頁(yè)解釋了收到的信號(hào)的意思是flash告訴Zynq此flash是支持QSPI的，通過觀察發(fā)現(xiàn)，在讀指令的地方SPI的時(shí)鐘頻率是5.405MHz，這個(gè)時(shí)鐘的頻率相對(duì)較低。在讀指令之后，flash支持QSPI，所有的傳輸都會(huì)在四根QSPI數(shù)據(jù)線上進(jìn)行。下一個(gè)指令是0x6b，緊跟著的是3byte的物理地址，如圖.4紅色框內(nèi)所示，0x6b代表的是四次讀寫指令，flash回應(yīng)的數(shù)據(jù)在8個(gè)時(shí)鐘周期之后（圖.4中綠色框內(nèi)所示）能在QSPI信號(hào)線上被觀察到，如圖.4藍(lán)色框內(nèi)所示。

圖.3 Zynq發(fā)送給flash的第一個(gè)讀信號(hào)指令以及flash的反饋信號(hào)波形

圖.4 Zynq的四次讀寫指令以及QSPI信號(hào)的相應(yīng)

Zynq-7000 AP SoC集成了ARM處理器核和硬件可編程的FPGA于一身，集成了CPU，DSP，ASSP，混合信號(hào)處理裝置等在一個(gè)芯片上，能夠用于主要的數(shù)據(jù)分析和硬件加速上，有著很好的性能價(jià)格比。而Digital Discovery里面使用了Xilinx公司的Spartan-6 FPGA，有著較高的logic-to-pin比率，內(nèi)置MicroBlaze軟核，支持800Mb/s的DDR3，支持豐富的I/O協(xié)議，所以在性能上能夠勝任邏輯分析儀的工作。

用邏輯分析儀來捕獲處理器啟動(dòng)時(shí)候的信號(hào)波形不足為怪，但是在這個(gè)例子中是使用了Digital Discovery的邏輯分析儀功能，突出的地方就是Xilinx公司的兩款芯片的交互，演繹了本次的啟動(dòng)信號(hào)揭秘之旅。Digital Discovery和Zynq SoC都是很出色的產(chǎn)品，一個(gè)是硬件開發(fā)者的便攜式調(diào)試神奇，一個(gè)是硬件開發(fā)者的高性能開發(fā)板，是不是想自己親手試一試了呢？