赛灵思FPGA——ZYNQ介绍

参考：http://www.zynqbook.com/

ZYNQ架构

• 双核ARM Cortex-A9 处理器：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

• 传统的现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）逻辑部件：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。

这意味着处理器和逻辑部分各自都可以发挥最佳的用途，而不会有在两个分立的芯片之间的那种接口开销。

 

外设是处理器之外的功能部件，一般从事三种功能之一：（一）协处理器—— 辅助主处理器的单元，往往是被优化用于特定任务；（二）与外部接口交互的核心，如连接到LED 和开关、编解码器等等；（三）额外的存储器单元。

PS 具有固定的架构，承载了处理器和系统存储区

而PL 完全是灵活的，给了设计者一面“ 空白画布” 来创建定制的外设，或重用标准外设。

 

ZYNQ的SoC设计流基本模型

 

ZYNQ芯片

处理器系统（PS）

ARM是一颗“硬”处理器，硬件处理器以外的另一种方案，就像Xilinx 的MicroBlaze这样的“软”处理器，这是由可编程逻辑部分的单元组合而成的。也就是说，一个软处理器的实现和部署在FPGA 的逻辑结构里的任何其他IP 包是等价的。要求不高的任务可以从主的ARM Cortex-A9 处理器上脱离出来,分配给软处理器，软处理器与ARM协同工作，提升整体性能

PS里并非只有ARM 处理器，还有一组相关的处理资源，形成了一个应用处理器单元（Application Processing Unit，APU），另外还有扩展外设接口、cache 存储器、存储器接口、互联接口和时钟发生电路

 

 

处理器系统外部接口——PS 和外部接口之间的通信主要是通过复用的输入/ 输出（Multiplexed Input/Output，MIO）实现的。这样的连接也可以通过扩展EMIO （ExtendedMIO，EMIO）来实现，EMIO 并不是PS 和外部连接之间的直接通路，而是通过共用了PL 的I/O 资源来实现的。

可用的I/O 包括标准通信接口（SPI,I2C,USB,SD,CAN,UART,GigE）和通用输入/ 输出（General Purpose Input/Output，GPIO） 

 

可编程逻辑（PL）

LUT-查找表

FF-触发器，一个实现1 位寄存的时序电路，带有复位功能。FF 的一种用处是实现锁存。

CLB-可配置编程逻辑块

IOB-输入/ 输出块（Input/Output Blocks，IOB）-实现了PL 逻辑资源之间的对接，并且提供物理设备“ 焊盘” 来连接外部电路。每个IOB 可以处理一位的输入或输出信号。IOB 通常位于芯片的周边。

除了通用的部分，还有两个特殊用途的部件：满足密集存储需要的块RAM 和用于高速算术的DSP48E1 片

通用输入输出IOB

通信接口--包括PCIExpress、串行RapidIO、SCSI 和SATA

其他可编程逻辑扩展接口--XADC，时钟，编程与调试

 

处理器系统与可编程逻辑的接口

1、AXI标准--Advanced eXtensible Interface

有三类AXI4总线协议

• AXI4 [2] — 用于存储映射链接，它支持最高的性能：通过一簇高达256 个数据字（或“ 数据拍（data beats）”）的数据传输来给定一个地址。
• AXI4-Lite [2] — 一种简化了的链接，只支持每次连接传输一个数据（非批量）。AXI4-Lite也是存储映射的：这种协议下每次传输一个地址和单个数据。

• AXI4-Stream [1] — 用于高速流数据，支持批量传输无限大小的数据。没有地址机制，这种总线类型最适合源和目的地之间的直接数据流（非存储器映射）

互联（Interconnect）：互联实际上是一个开关，管理并直接传递所连接的AXI 接口之间的通信。在PS 内有几个互联，其中有些还直接连接到PL （如图2.9），而另一些是只用于内部连接的。这些互联之间的连接也是用AXI 接口所构成的。
接口（Interface）： 用于在系统内的主机和从机之间传递数据、地址和握手信号的点对点连接。（M-主机，S-从机）

 

• 通用AXI（General Purpose AXI） — 一条32 位数据总线，适合PL 和PS 之间的中低速通信。接口是透传的不带缓冲。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） — 在PL 和APU 内的SCU之间的单个异步连接，总线宽度为64 位。这个端口用来实现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） — 四个高性能AXI 接口，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。数据宽度是32 或64 位，在所有四个接口中PL 都是做主机的。

2、EMIO接口

3、其他PL-PS信号

跨越PS-PL 边界的其他信号包括看门狗定时器、重启信号、中断和DMA 接口信号。

 

总结

Multiplexed I/O (MIO)：PS端外设IO复用，这是什么概念呢？前面介绍了ZYNQ主要分PS/PL两大组成模块，PS端前面介绍的外设如USB/CAN/GPIO/UART等都必要需要引脚与外界打交道，这里所谓的复用与常见的单片机、处理器里引脚复用的概念一样。 但是（这里划重点），ZYNQ具有高达54个PS引脚支持MIO，MIO具有非常高的灵活度以达到灵活配置，这给硬件设计、PCB布板带来了极大的便利！，MIO的配置利用vivado软件可以实现灵活配置。

 

硬件工程师往往发现对一个复杂的系统的布局布线，常常会很困难，也常因为不合理的布局布线而陷入EMC深坑。ZYNQ的IO引脚高度灵活性，无疑在电路设计方面提供极大的方便，可实现非常灵活的PCB布局布线。从而在EMC性能改善方面带来了很大便利。