PYNQ攻略(上)

PYNQ-Z2初上手——启动PYNQ系统

硬件资源

• PYNQ包括有
• ① 选择板子的启动方式，分别从JTAG、QSPI Flash和SD卡启动。
  • JTAG启动方式：通过④Micro-USB接口连接到电脑上，下载bit文件和elf文件，进行在线调试；
  • Flash启动方式：将程序烧录到Flash中，断电后从Flash中开始运行程序；
  • SD启动方式：将镜像文件拷贝到SD卡中，从SD卡中读取运行程序。
    
• ② 选择电源供电模式，分为从USB供电运行和从外部电源供电运行。
  
• ③SD卡配置
  PYNQ从SD卡启动，SD卡中配置有启动镜像文件，需要有一块空白的SD卡、读卡器和配置教程。

启动PYNQ

整体认识

PYNQ是利用Python语言对ZYNQ进行开发的项目。PYNQ从SD卡中启动，从镜像文件中加载系统程序，通过网口连接到浏览器上的Jupyter Notebook，在上面进行Python开发。

• ZYNQ
  ZYNQ包括一个双核ARM Cortex-A9处理器和一个FPGA，即处理器系统(PS)和可编程逻辑(PL)，主要通过AXI接口连接。
• Python开发环境Jupyter Notebook
  PYNQ中集成有Python开发环境，可以利用Jupyter Notebook进行开发。Jupyter是基于浏览器的互动式编程环境，能够实现代码编辑、程序结果实时显示和文本编辑。

启动步骤

• 将配置好的SD卡放入SK卡槽；
• 将①跳线帽连接到SD卡启动，②跳线帽连接到USB供电；
• 连接Micro USB和网线，USB线作为电源线和UART串口线，网线作为系统传输线；
• 将电源开关拨到ON位置；
  现象：红色LED亮起表示板上有电源。几秒钟后，黄色/绿色LED亮起，表示板上设备正常运行。一分钟后两个蓝色LED和四个黄色/绿色 LED同时闪烁，之后蓝色LED关闭，而黄色/绿色发光二极管常亮，系统现已启动并可供使用。
• 打开web浏览器连接到Jupyter Notebook(http://192.168.2.99)，登录账号密码为xilinx。
• 也可以在主机上访问，打开windows资源管理器，键入“ \\192.168.2.99\xilinx ”，登录账号密码为xilinx。

从底层向上走——熟悉ZYNQ开发

PS中运行程序，利用PL设计相应的模块加速程序算法，最后将编译的程序文件和FPGA配置文件封装成一个独立的、可以在Python开发环境中调用的Overlay。所以从最底层的ZYNQ开发起步，熟悉PS和PL设计流程，然后了解Overlay是怎么生成的，最后学习Python中如何调用底层文件来实现功能，才能对整个系统有一个整体的概念。
ZYNQ开发主要分为PS开发和PL开发，但是二者是相辅相成的，PL开发是为PS服务的，而少了PL部分，PS程序也无法实现。主要开发工具是Vivado，推荐教程为xilinx的Advanced-Embedded-System-Design-Flow-on-Zynq。

FPGA设计基础(《深入浅出玩转fpga》和《Xilinx FPGA设计权威指南》笔记与心得)

应用领域

• 逻辑粘合与实时控制
• 信号处理与协议实现
• 片上系统

开发流程

• RTL行为级仿真：使用Verilog从行为级来模拟与FPGA接口的外围电路的时序，验证代码所实现的功能是否符合要求。仿真没有延迟信息，一般与器件无关。（绝大部分设计人员将这个阶段的仿真叫功能仿真！）
• 综合(Synthesis)：将较高层次的电路描述转化为较低层次的电路描述。具体地说，就是将设计代码转化为底层的与门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元相互连接的网表。
• 综合后门级功能仿真(前仿真)：利用综合后的Verilog网表进行仿真，需要在仿真过程中加入厂家的器件库。
• 时序约束：对工程进行全局约束，然后对I/O接口时序进行约束，在对需要的的地方做时序例外约束。
• 实现(Implementation)：翻译、映射和布局，包括优化设计、功耗优化设计、布局设计、物理优化设计、布线设计和写比特流。
• 时序仿真(Post-Implementation Timing Simulation，后仿真)：利用实现完的时序仿真模型和SDF时序标注文件(Standard Delay Format Timing Annotation)进行仿真。仿真带有延迟信息，可能出现时序问题。
  FPGA的仿真是通过给设计模型添加一个激励，模拟出实际FPGA运行状态输出响应，设计者观察波形进行判断。(不同仿真的区别参考教程)
• 板级调试：Vivado集成设计环境包含逻辑分析特性和串行I/O分析特性。包括三个阶段：
  • 探测阶段(Probing phase)：用于标识需要对设计中的哪个信号进行探测，以及探测的方法；
  • 实现阶段(Implementation phase)：实现设计，包括将额外的调试IP连接到被标识为探测的网络。
  • 分析阶段(Analysis phase)：通过与设计中的调试IP进行交互，调试和验证设计功能。

深入了解ZYNQ(《The Zynq Book》笔记与心得)

Zynq 的本质特征，是它组合了一个双核ARM Cortex-A9 处理器和一个传统的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）逻辑部件。
在Zynq上，ARM Cortex-A9 是一个应用级的处理器，能运行完整的像Linux 这样的操作系统，而可编程逻辑是基于Xilinx 7 系列的FPGA 架构。这个架构实现了工业标准的AXI 接口，在芯片的两个部分之间实现了高带宽、低延迟的连接。

具体架构

处理器系统

• 应用处理单元(APU, Application Processor Unit)
  • NEON：媒体处理引擎(Media Processing Engine，MPE)，实现了单指令多数据(Single Instruction Multiple Data，SIMD)功能来实现媒体和DSP 类算法的战略加速。可以对输入向量中的多组数据，同时执行相同的运算来得到对应的输出向量。NEON 支持多种数据类型，但是不支持双精度的。
  • FPU：浮点运算单元(Floating Point Unit，FPU);
  • MMU：内存管理单元(Memory Management Unit)，在虚拟地址和物理地址之间做翻译。
  • L1(D)、L1(I)：一级cache存储器
  • SCU：一致性控制单元(Snoop Control Unit)。负责维持两个处理器的数据cache 存储器和共享的二级cache存储器之间的存储一致性；通过加速器一致端口(Accelerator Coherency Port，ACP)来管理在PS 和PL 之间的访问会话。
  • OCM：片上存储器(On Chip Memory)
    
• 处理器系统外部接口
  • MIO(Multiplexed Input/Output)：提供54个灵活配置的引脚，包括SPI、I2C、CAN、UART、GPIO、SD、USB和GigE
  • EMIO(Extended MIO)：通过共用了PL 的I/O 资源来实现的

可编程逻辑

基于Artix-7和Kintex-7的FPGA组件。

• 可配置逻辑块(CLB, Configurable Logic Block)：由两个逻辑片和一个紧邻的开关矩阵组成。
  • 片(Slice)：有实现组合和时序逻辑电路的资源，由4个查找表、8个触发器和其他一些逻辑组成。
    • 查找表(LUT, Lookup Table)
    • 触发器(FF, Flip-flop)：一个实现1 位寄存的时序电路，带有复位功能。
  • 开关矩阵(Switch Matrix)：连接CLB 内的单元，或把一个CLB 与PL 内的其他资源连接起来。
    
• 输入输出块(IOB, Input/Output Block)，50个IOB一组，分为高性能(HP, High Performance)或高范围(HR, High Range)
• DSP48E1：用于高速算数
• 块RAM：满足密集存储需要，最多存储36KB的信息
• 通信接口GTX收发器，包括一个PCI Express块
• XADC：专用的模数转换器，由PS里的PS-XADC接口控制块实现。
• 时钟：PL 接收来自PS 的四个独立的时钟输入，另外还能产生和分发它自己的与PS 无关的时钟信号。

处理器系统与可编程逻辑的接口

• AXI接口
  ZYNQ中连接PS和PL两部分采用高度定制的AXI(Advanced eXtensible Interface)互联和接口。
  
  • 接口分为主机和从机，按照惯例，主机是控制总线并发起会话的，而从机是做响应的。
  • 通用AXI(General Purpose AXI)：32 位数据总线，适合PL 和PS 之间的中低速通信。总共有四个通用接口：两个PS 做主机，另两个PL 做主机。
  • 加速器一致性端口(Accelerator Coherency Port)：总线宽度为64 位，用来实现APU cache 和PL的单元之间的一致性。PL 是做主机的。
  • 高性能端口(High Performance Ports)：数据宽度是32 或64 位，带有FIFO缓冲来提供“ 批量” 读写操作，并支持PL 和PS 中的存储器单元的高速率通信。在所有四个接口中PL 都是做主机的。
• EMIO接口
  从PS 出来，有几种连接可以经由PL 到外部接口上，这被称作扩展的MIO(Extended MIO)，即EMIO。
  
  • 经EMIO 的接口直接连接到所需的PL 的外部引脚上的，由一个约束（描述）文件中的条目所指定的。在这个模式下，EMIO 可以实现额外的64 个输入线和64 个带有输出始能的输出线。
  • 用EMIO 来连接PS 和PL 里的外设模块。

ZYNQ设计层次

• 功能划分
  软件（在PS 端）常常用来完成一些一般性的顺序执行的任务，比如操作系统、用户应用程序以及图形界面；PL端主要实现数据流计算的任务和具有并行限制的软件算法。
• 硬件开发和测试
  • Vivado IDE开发套件，IP库
  • 配置PS
  • 在PL上设计和实现外部模块和逻辑单元
• 软件开发和测试
  软件系统可以被认为是建立于基于硬件的系统上的一个栈。
  • 板级支持包(BSP)：提供底层的驱动和函数供下一层(操作系统)使用和硬件通信。BSP根据基础硬件系统进行调整。
  • 操作系统
  • 软件应用
• 系统集成和测试
  利用软硬件交叉触发器进行嵌入式联合调试。这一过程将PL 上的ILA(Integrated Logic Analyzer)的硬件调试核心和Zynq PS 端的FTM(Fabric Trace Module)通过一对输入输出信号进行连接。

ZYNQ小实验(Advanced-Embedded-System-Design-Flow-on-Zynq)

准备工具

• 板级支持包下载地址
• Vivado 2018.2

• lab1：搭建简单的嵌入式系统
  • 本实验利用集成的IP核搭建了PYNQ板上leds、buttons和switches的外部接口，将生成的比特流导入到SDK中，使用c语言编写程序，控制板子上的leds、buttons和switches。
  • SDK方式和Jupyter notebook方式的区别：SDK方式是使用C或C++语言对ZYNQ进行开发，Juputer notebook是在PYNQ上利用python语言开发。
• 拓展1：在jupyter notebook中控制leds、buttons和switches
  • 启动PYNQ，将vivado生成的比特流文件(.\lab1\lab1.runs\impl_1\design_1_wrapper.bit)和硬件描述文件(.\lab1\lab1.srcs\sources_1\bd\design_1\hw_handoff\design_1.hwh)拷贝至PYNQ的系统文件目录下，并将两个文件的名称改为lab1.bit和lab1.hwh。
  • 在文件目录下启动一个python3的编译环境，输入并执行代码。

from pynq import Overlay
from pynq.lib.axigpio import *
ol = Overlay("lab1.bit")
ol.download()
print(ol.ip_dict.keys())
btn = ol.buttons
sw = ol.switches
led = ol.leds

btn.setdirection(AxiGPIO.Input)
sw.setdirection(AxiGPIO.Input)
led.setdirection(AxiGPIO.Output)
led.write(4, 0xf)

print("-- Press any of BTN0-BTN3 to see corresponding output on LEDs --\r\n")
print(("-- Set slide switches to 0x03 to exit the program --\r\n"))
while not sw.read(0) & 0xf == 0x3:
    mask = btn.read(0) & 0xf
    led.write(0, mask)
print("-- End of Program --\r\n")

• 拓展2：利用verilog制作gpio的ip核
• lab2：使用VIO(virtual input/output)和ILA(integrated logic analyzer)调试硬件
  • 本实验利用集成的VIO和ILA IP核在lab1实验的基础上搭建硬件调试平台。利用ILA(Integrated Logic Analyzer)来检测led输出信号；利用System ILA检测定制math IP的S_AXI接口；利用VIO模拟math ip的输入输出信号。
  • VIO的使用：可以在vivado硬件管理界面手动控制和观察VIO模块的输出和输入，用于测试已经在硬件中实现的ip核的功能。
  • ILA的使用：可以在vivado硬件管理界面设置触发条件，捕捉硬件端口或AXI接口的波形信号，同时也能在触发后暂停软件程序（主要用于debug中）。
• lab3：使用块RAM扩展内存
  • 本实验在硬件电路中例化了一个集成的BRAM IP核，在SDK开发环境中，程序默认跑在BRAM中。可以发现程序比跑在ddr中快了若干倍。
• lab4：使用CDMA(AXI Central Direct Memory Access)直接访问内存
  • 本实验在硬件电路中例化了一个CDMA模块，实现了从DDR到BRAM、从DDR到DDR和从BRAM到DDR搬运数据，测试了分别采用正常方式和CDMA模块的方式的快慢。结果表明在大数据的搬运中，采用DMA能够实现更快的搬运速度。
• lab5：ZYNQ启动方式的配置
  • ZYNQ启动方式可以配置为SD卡启动、QSPI flash启动。
  • 理解ZYNQ启动过程、FSBL
• lab6：程序分析与性能优化
  • 在SDK中可以对程序进行profile，分析程序中不同函数的运行次数和运行时间，对较长时间的软件功能函数可以考虑利用硬件实现。

高层次综合（HLS）

HLS大实验(High-Level-Synthesis-Flow-on-Zynq-using-Vivado-HLS)

• lab1：Vivado HLS设计流程
  • 本实验完整的描述了利用HLS生成IP核的步骤，包括C调试和仿真、C综合和C&RTL联合仿真。另外分析综合报告来了解硬件时延和逻辑资源消耗，分析仿真波形来验证程序功能。
• lab2：性能优化设计
  • 优化指令以#pragma语句的形式嵌入到源代码中。
  • TRIPCOUNT：为了帮助在综合时对循环延迟进行估计，Vivado HLS提供了一个TRIPCOUNT指令，该指令允许限制用户指定的变量的边界。
  • PIPELINE：PIPELINE指令必须应用于每个函数中最内层的循环——最内层的循环是非变量有界的循环，而外层的循环只会向内层循环提供数据。
  • DATAFLOW：当执行DATAFLOW优化，自动在函数之间插入内存缓冲区，以确保下一个函数完成之前就可以开始操作之前的函数。允许内存缓冲区包括乒乓缓冲区（默认，可以随机访问缓存数据）和FIFO。
• lab3：内存和资源的优化设计
  • PIPELINE：当PIPELINE指令应用于外循环时，将自动导致内循环展开(unroll)并且并行处理（如果可以的话），导致资源利用率的增加。
  • Partition和RESHAPE：RESHAPE指令将允许对BRAM进行多次访问，但是，如果单个元素需要修改，则需要小心，因为它将导致对整个字节的读-修改-写操作。
  • INLINE：当INLINE指令应用于函数时，较低层的层次结构将自动分解并内联到上层函数。
  • DATAFLOW：只在顶级循环和函数上进行优化。
• lab4：IP-XACT实例
  • 以实际工程来训练上述实验中的要点，最后生成一个FIR滤波器的IP核并例化进工程，实现对输入音频的滤波作用。