Xilinx Zynq器件要点（2）

1.3 互连接口 

PS 对外的互联接口包括： 
     四个 64bit 高速 AXI_HP Slave 接口，最高时钟为 150MHz； 
    两个 32bit 低速 AXI_GP Slave 接口和两个 32bit AXI_GP Master 接口； 
    一个 64bit 低延时 AXI_ACP Slave 接口。 
详细的接口介绍及使用见 ZYNQ 内部互联章节。 

1.4 PL 资源 

          PS 有四个可编程时钟资源提供给 PL，PL 本身还具有锁相环电路及其管理

单元（MMCM），下表1-1 是PL锁相环资源情况。

         Zynq 系列的 PL 核有 Artix 系列和 Kintex 系列两种，表 2-1 列出了 Zynq 系列器件的逻辑资源情况。

2 ZYNQ 启动加载 

        Zynq 器件支持加密安全启动和非加密启动，安全启动方式有多级秘钥匹配的过程，相对比较复杂，这里不深究加密启动的方法。启动加载及调试模式等由MIO[8:2]确定，因此，这些 MIO 应该使用 20 kΩ左右的电阻上拉或下拉，使保持确定的低电平或高电平。 

2.1 上电 

       Zynq 系列器件对上电时序无严格的要求，只是简单的说明 PS 应先上 VCCPINT、VCCPAUX 和 VCCPLL，再上 VCCO，下电顺序反之。PL 和 PS 类似，也是先上内核和
RAM，再上外设,简单的上电顺序控制可通过 DC 模块的 ByMODE 充电容限来设置延迟。表2-1Zynq器件的电源域。 

备注：现xilinx已经推出低功耗版本器件-L系列，FL内核和BRAM电压将为0.95V。

        好的电源设计有助于提高电源效率，降低功耗、减少发热；降低 CPU启动失败，部分外设发生“莫名”等工作异常的概率，有助于提高电路工作的稳定性；数字电路也应考虑辐射和串扰对模拟域带来的干扰。Zynq器件详细的 AC/DC 参数见DS187 或DS191，PCB设计细节指导见 UG933。 

 2.2 启动器件选择 

      MIO[5:3]的电平状态决定处理器的启动设备，处理器在上电复位引脚PS_POR_B 的上升后的连续 50 个 clk 采样这些引脚的状态。同时，处理器还会对JTAG 模式、MIO BANK 的电压及锁相环工作模式进行配置。表2-2 是Boot Mode Pin 的状态表。 

         从表 2-1 可以看到，ZYNQ 可从 NOR（32MB Max）、NAND(ONFI1.0接口，1GB Max)、Quad-SPI(256MB Max)、SD (16GB Max)卡启动，NAND FLASH 和 SD 卡不可避免的会有坏块的问题，SD 卡若用来存储其他数据还可能导致误操作擦除启动区数据，因此许多要求可靠性比较高的系统大多选择使用NOR FLASH和Quad-SPI用作启动设备。但从表1-2 可以看出，NOR FLASH几乎占用了 MIO的所有引脚，特别是和高速设备进行了复用；若从 Quad-SPI启动，ARM只给BootRom线性地址模式读取Quad-SPI分配了128Mbit的空间，其它内容由FSBL负责搬运，同时大容量器件的价格较高。因此在选择启动设备时，会遭遇一个兼顾考虑的问题。另外，Xilinx 对启动器件有一定的要求，经过Xilinx验证的启动器件详见AR# 50991。

2.3 启动流程 

       Zynq 系列器件采用三级启动方式，每级的要求及过程如下。 
      （1） 第0 级：启动 BootROM。 
        要求：安全启动时，PS 和 PL 均需上电且稳定；普通方式启动时 PS 需上电，PL不需上电，JTAG 配置启动时PS 和PL均需启动。  流程：在上电复位、系统复位或软件复位后，BootROM 根据 BootROM Header 定义的信息执行加载 FSBL 并将控制权交给 FSBL（若选择在内部OCM执行，FSBL不能大于192KB，在 FLASH 直接执行无限制）。 
     （2）第1 级：FSBL（或用户控制代码） 
       要求：因为此阶段 PS 要配置 PL，因此 PS 和 PL 均需上电。 流程：FSBL 取得控制权后，根据 VIVADO（或 XPS）的配置对 PS 进行初始化，使用比特流（Bitstream）文件对PL进行配置。然后加载裸机程序或 SSBL并交付控制权。 
     （3）第2 级：执行裸机程序或 SSBL。 
       流程：裸机程序直接执行或执行 SSBL（通常是 UBoot），在 UBoot 执行后的加载工作交付 UBoot 完成。 裸机状态下和操作系统状态下的 Flash 镜像文件分区如图2-1 所示，这个镜像文件可通过 Xilinx SDK 里的相关工具制作。

3 ZYNQ 互联结构 

        确理解并应用 ZYNQ SoC 的 PL 和 PS 间的互联结构有助于设计最优的软件架构，充分利用Zynq 的资源和性能。在1.3 节已经提到，PL 和 PS间主要通过AXI_HP、AXI_GP、AXI_ACP 总线接口以及一些 EMIO、中断及事件接口紧密结合在一起。可以说 PL设计关键就是用好这些接口。  ZYNQ 的主互联结构如图 3-1 所示，图中清楚表示了设备可以访问的源、目的，可同时支持并发读写的路数，以及 Qos控制的情况。以下就 PS 与PL交互最为密切频繁的 AXI_HP(AXI3.0)、AXI_GP(AXI-Lite)和 AXI_ACP 接口进行详细介绍。 需要注意的是，端口在 PS 内部的连接并不是完全交叉结构，表 3-1 列出了主要端口的访问能力。 

       互联总线一般采用 AXI4.0 协议标准，有关总线协议的文档参见 ARM《ihi0022d-AMBA®AXI and ACE™ Protocol Specification》。 

3.1 AXI_HP 接口 

        AXI 接口是为了 PL 访问 PS 端的存储器而专门设计的高速通道，它具有以下性能： 
      ①PL 可访问 PS 上的四个 AXI_HP Slave 通道,每通道支持独立可编程的32/64bit 数据宽度； 
      ②在 32bit 接口模式下高效动态扩展到 64bit 对齐传输； 
      ③可以跨 PS 和 PL 间异步时钟传输； 
      ④采用标准的 AXI3.0 协议，突发长度可达 16； 
      ⑤AXI_HP 分成两部分，一部分和 PL 直接相连，另一部分连接到 AXI Interconnect,从而分别访问 DDR 和 OCM。 

         AXI_HP 接口一般用于逻辑与挂载在 APU 的 DDR 间高速数据交互，数据搬移一般通过 PL内的DMA 完成。例如在设计视频处理时，高清图像可由 FPGA直接完成采集、预处理，然后通过 AXI_HP接口将数据传输到 DDR中供完成APU 进一步处理。 

3.2 AXI_GP 接口 

         AXI_GP 接口是符合 AXI4-Lite 协议的低速接口,没什么突出特点，PS 提供两个主接口，两个从接口。这个接口位宽为 32bit，不支持突发传输，一般用于在PL-PS间传输低速的控制信息和少量数据，也可通过ARM内的中央仲裁器访问DDR。当设备很多时，可通过 PL的 AXI Interconnect进行扩展。 

3.3 AXI_ACP 接口 

         加速器一致性端口(ACP)是 SCU 上的一个64 位的 AXI 从接口，提供了来自PL 到 Cortex-A9 MP 核处理器子系统的异步的缓存一致性访问点。通过这个接口PL 端逻辑可以直接访问 PS 部分的 Cache，硬件一致性由 SCU 保证。因此 PL 可以直接从Cache 拿到CPU 计算的结果，同时也可以第一时间将逻辑加速运算的记过送至CPU Cache 中，因此延时最低，适合做专用指令加速器模块接口。 基于 PL 实现的加速器的过程大概如以下所列： 
    ① 在它的本地缓存空间内，CPU 为加速器准备输入数据。 
    ②CPU 使用到 PL 的通用 AXI 主接口，将消息发送到加速器。 
    ③加速器通过 ACP 取数据，处理数据，然后通过 ACP 返回结果。 
    ④ 通过写到一个已知的位置，加速器设置一个标志，用来表示正在处理的 数 据完成。可以通过处理器轮询这个标志的状态或者产生一个中断。 

        这种低延时的总线非常适用于PS端自定义指令通过PL加速。

3.4 视频处理的互联结构 

        对视频处理而言，图像算法模块会对 DDR 写入或请求数据，PS 需要配置相关参数，同时，PS 内的算法可能会需要 PL帮助进行加速以提高执行效率，相关执行状态通过中断通知 PS满足快速响应要求。因此，一个典型的应用可能会如图3-2 所示的结构。 

       从应用可知，图像处理最关注也最关键的是 AXI_HP所能提供的带宽，这将直接制约整个系统的功能密度和性能。下表 3-2 列出了 PS-PL常用互联接口的性能。 因 AXI 总线读写通道相互独立，因此读写互不影响，所以最终图像处理多并发访问的最终瓶颈任然是 DDR带宽。但是需要注意的是 AXI_HP0/AXI_HP1和 AXI_HP2/AXI_HP3 在连接DDR控制器之前是独立仲裁的，如果许可，最好是在这两个独立端口里分别只使用其中的一个端口，例如端口 0 和端口2。如果使用了同一个仲裁器的两个端口，势必会影响效率。

3.5 各接口对比 

        通过对各接口的比较，将他们的特点和可能的用途整理到表 3-3 中。

4 开发工具链 

        在 Xilinx未进行工具整合之前，PL开发需要使用 Xilinx ISE 、PlanAhead和 XPS组合才能完成。针对下一代应用，Xilinx将 PL 开发所有功能整合到VIVADO IDE 中，最新版本为 Vivado2014.4，建议使用最新版本开发环境。PS裸机开发直接使用 Xilinx SDK 即可，操作系统开发可在相应的系统环境中调用SDK 提供的交叉编译工具链，当然也可以在SDK中创建linux工程，只不过在使用上有诸多限制。 

4.1 工程创建流程（PL） 

        Xilinx 在 Vivado 中推荐使用图形化的顶层设计方式，用户可以先将 Xilinx提供的IP 核或自定义IP 制作成一个大的 block design (bd)，block design也可封装成为一个新的IP。最终的顶层文件是一个以 Zynq PS 为核心的design block。因此一个工程的创建可以分成以下步骤： 
      （1） 在 Vivado中创建一个新工程； 
      （2） 创建一个新的 block design； 
      （3） 添加Zynq7 Processing System 到block design，并对其进行初始化配置； 
      （4） 添加其他IP核到block design，并完成和PS 的互联以及对外接口的连接； 
      （5） 分配 PS 内地址空间映射； 
      （6） 进行规则检查； 
      （7） 生成HDL Wapper（顶层文件）并加入约束； 
      （8） 编译、综合、实现； 
      （9） 生成 Stream Bit文件； 
     （10）导出硬件配置文件到 SDK； 
     （11）在SDK 中使用这些配置文件生成 FSBL或BSP支持裸机 APP； 

4.2 硬软件调试工具 

        Xilinx 在 Vivado 中提供了三个调试工具调试 PL，目前相比来说不如成熟的ChiScope 方便。这三个的描述 IP 见表 4-1。

       Xilinx 在 SDK 中提供实时跟踪的工具 XMD，可实时查看 ARM 的通用寄存器值，中断信息，PC等。同时也可实时查看存储空间的值。同时 SDK还提供远程调试功能（GDBServer 工具链）。 

      另外需要提到的是，Xilinx提供了一套完整的性能监测工具，可以对设计进行准确的性能评估（包括CPU性能、Cache性能、AXI总线吞吐、DDR带宽等），详细内容参见xilinx官方文档(UG1145)：

4.3 实用 IP 核 

      为了更方便灵活的进行基于 Zynq Soc 的设计，Xilinx提供了一系列的 IP核供选用，表4-2 列出了实用IP资源。