学会Zynq（2）Zynq-7000处理器的配置详解

上篇中介绍了Xilinx FPGA嵌入式开发的基本概念和软件特性，并以Hello World为例给出了一个操作流程，熟悉该流程相当重要。上一篇中只是简单说明了每一步应该执行哪些操作，本文将详细介绍每一步的具体含义和涉及到的相关概念。

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Zynq-7000配置

添加好ZYNQ7 Processing System IP核后，需要对其进行配置，双击弹出如下窗口。绿色部分表示ZYNQ PS部分中可配置的项目，可以双击转向相应的设置界面，也可以直接在左边的导航列表中选择。

顶部有4个按钮，Documentation查找与Zynq相关的文档；Presets保存或导入一些预设配置；IP Location显示了该IP所在路径；Import XPS Settings导入由XPS工程产生的XML文件，该文件包含对Zynq处理器的配置。XPS是老版ISE使用的嵌入式开发工具。

1. MIO与EMIO配置

在Peripheral I/O Pins（如下图）或MIO Configuration中可以查看和配置I/O管脚。Zynq-7000器件的PS部分有超过20种可选的外设，设计者可以将这些外设直接与专用的复用I/O相连，通常称为MIO；也可以使用扩展的复用I/O，通常称为EMIO。

设计者可以配置MIO的电平标准，如果要使用某个外设，选中复选框即可（会感觉和STM32 CubeMX软件的使用有些相似）。PS的MIO划分在Bank0（pin0-15）和Bank1（pin16-53）两个电压域内，每个bank内的MIO可以独立编程，支持1.8、2.5、3.3V的CMOS单端模式，1.8V的HSTL差分模式。我们都知道每个bank的电压必须相同，但是不同管脚可以有不同的I/O标准。

2. 闪存接口

Zynq-7000支持Quad-SPI Flash、SRAM/NOR Flash和NAND Flash三种闪存，配置时只能选择其中一个。注意外设之间如果发生管脚冲突，会用红色提示。如下图SRAM和Enet0之间发生了冲突：

3. 时钟配置

Clock Configuration中进行Zynq-7000器件的时钟配置。这里可以设置外设的时钟，PS上外设的时钟源可以由内部PLL生成，也可以来自外部时钟源。同一个PLL可能要产生多个频率，导致得到的频率不是完全准确，在Actual Frequency列中查看能够实现的实际频率。PS的输入频率范围限制在30~60MHz之间，通常都会选择33.33MHz，便于产生内部所需的时钟频率。

4. DDR配置

Zynq-7000的内存控制器支持DDR2、DDR3、DDR3L和LPDDR2，主要由三部分组成：

• DDRI：DDR接口，AXI内存端口接口。DDRI有4个64位同步AXI接口，可以同时为多个AXI主机提供服务。每个AXI接口都有一个专用FIFO。一个AXI端口专用于CPU和ACP的L2缓存；两个端口专用于AXI_HP接口；AXI互联网络上的其它主机共享第四个端口。
• DDRC：带有事务调动程序的核控制器，包含两个内容寻址存储器（CAMs），用于执行DDR数据服务调度，最大化DDR内存的效率。同时包含一个低延迟的“fly-by”通道，允许在不通过CAM的情况下访问DDR内存。
• DDRP：带有数字PHY（物理层）的控制器。PHY处理来自控制器的读、写请求，在目标DDR内存的时序约束下转换为特定信号。PHY利用来自控制器的信号产生内部信号，通过数字PHY连接到引脚。Zynq的DDR管脚在PCB上直接与DDR器件相连。

PS中DDR的大致工作流程为：根据请求等待时间、请求的紧急性、请求是否与前一个请求在同一页内，DDRI对来自8个端口（4个读、4个写）的请求进行仲裁，选择一个请求通过一个读写流接口传递到DDRC中，同时DDRP驱动DDR的事务。

在DDR Configuration中完成DDR控制器的配置，DDR型号要与开发板相符：

5. GIC中断控制器

在Interrupts中对通用中断控制器GIC(Generic Interrupt Controller)进行配置。GIC用于管理从PS和PL发送到CPU中的终端。当CPU接口接收一个新中断时，GIC以编程的方式启用、禁用、屏蔽与优先处理中断源，并将其发送到选定的CPU。此外，GIC还支持安全扩展，以实现安全感知系统。

目前，控制器基于ARM®GIC架构版本1.0。独立总线通过避免互联网络中出现临时阻塞访问寄存器，以实现快速读、写响应。中断分配器集中所有中断源，再将最高优先级的中断源分配到CPU。

当把一个中断定向到多个CPU时，GIC可以确保每次只有一个CPU接收中断。所有中断源包含一个独一无二的中断ID号，都有自己的可配置的优先级和目标CPU列表。

6. AXI_HP接口

4个AXI_HP接口为PL总线主程序提供了到DDR和OCM内存的高带宽数据通道，每个接口有两个用于读写通信的FIFO缓冲区。内存互连的PL将高速AXI_HP端口布线到两个DDR内存端口或OCM。AXI_HP接口也可以用作AXI_FIFO接口，利用其缓冲能力。

在PS-PL Configuration中的HP Slave AXI Interface中可以启用这些接口：

简而言之，这种接口为PL主机和PS内存（DDR或OCM）之间提供了一种高吞吐量数据通道。

7. AXI ACP接口

ACP接口允许对PL主机进行低延迟访问，带有可选的coherency和L1、L2缓存。从系统角度来看，ACP接口具有与APU CPU类似的连通性，因此ACP可以直接在APU块争取资源。在PS-PL Configuration中的ACP Slave AXI Interface中可以启用该接口：

8. AXI GP接口

这种接口将主机与从机端口直接相连，不需要额外的FIFO缓冲。AXI_HP接口带有精心设计的FIFO缓冲，以提高性能和吞吐量。与其不同，由于没有FIFO，AXI_GP接口的性能受到主机和从机端口的限制。这种接口用于往往不会太关注性能的一般用途。在PS-PL Configuration中的GP Master/Slave AXI Interface中可以启用该接口：

9. PS-PL交叉触发接口

Zynq内部有个基于交叉触发机制的嵌入式交叉触发器ECT。该组件基于CoreSight技术，通过发送触发器和接收触发器来和其它组件交互。ECT主要由交叉触发矩阵（CTM）和交叉触发接口（CTI）组成。

一个或多个CTM组成一个具有多个频道的广播网络，一个CTI在一个或多个通道上监听某一事件，将接收到的事件映射到触发器，然后将触发器发送到一个或多个与CTI相连的CoreSight组件中。CTI也可以组合和映射来自多个CoreSight组件的触发器，并将其作为事件在一个或多个频道中广播。

在PS-PL Configuration中的PS-PL Cross Trigger Interface中可以启用该功能：

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Zynq中的PL部分

我相信不少人在没接触Zynq前会产生这样的疑问：Zynq能否当作一个纯FPGA来使用？答案当然是可以的。如果不用Zynq中的ARM处理器，则开发流程与7系列FPGA完全相同。但Zynq的闪存接口是与PS部分相连的，因此我们不能将“纯FPGA”程序固化到板子上，必须由处理器来引导。
Zynq中的可编程逻辑部分（PL）采用的也是与7系列相同的架构，下面还是给出其中包含的资源种类：

• 可配置逻辑块（CLB），包含带有存储功能的6输入查找表（LUT）、寄存器与移位寄存器功能、可级联的加法器。
• 36Kb的块RAM，双端口，最高支持72bits位宽，可配置为双18Kb，带有可编程的FIFO逻辑电路和内部错误纠正电路
• 数字信号处理DSP48E1 Slice单元，12×18的2进制补码乘法器、累加器，高分辨率（48bit）的信号处理器，带有25-bit的预加器以优化对称结构滤波器应用。此外还包括可选的流水线、ALU和专用级联总线等高级特性。
• 时钟管理单元，超高速缓冲器与低斜率时钟分布的布线，实现频率综合和相移功能，产生低抖动时钟，还带有抖动滤波。
• 可配置I/O，基于高性能SelectIOTM技术，封装内有高频去耦电容，以增强信号完整性；数控阻抗，可配置为三态以实现最低功耗，或满足高速I/O操作；HR（大范围） I/O支持1.2V到3.3V；HP（高性能）I/O支持1.2V到1.8V，如7z030、7z045、7z100系列。
• 模数转换器XADC，双12-bit、1MSPS，多达17个灵活的、用户可配置的模拟输入，可用于片内或片外测量。带有片内温度传感器（±4℃）和电源供应传感器（±1%）。通过JTAG可获取ADC测量结果。

除了这些基本单元，7z030、7z045、7z100等高端器件内部还集成了低功率的Gbit收发器、PCI-E接口。

根据上文的实验，我们知道在用SDK进行软件设计前先要在IP Integrator中完成硬件设计。设计者可以使用IP Packager工具将自己的设计封装为IP，导入到IP Catalog中，之后便可以在设计中调用该IP。