ZYNQ 串口打印输出——FPGA Vitis篇

ZYNQ芯片主要由PS端（ARM处理器）和PL端（FPGA逻辑单元）组成，因此ZYNQ芯片结合了ARM芯片和FPGA芯片的优点于一身。本实验主要介绍使用PS端来完成ZYNQ串口打印输出的功能。

虽然本实验仅仅使用了PS，但是还要建立一个Vivado工程，用来配置PS管脚。虽然PS端的ARM是硬核，但是在ZYNQ当中也要将ARM硬核添加到工程当中才能使用。本实验使用的Vivado版本为Vivado2021.1。

1. Vivado工程的建立

（1）打开Vivado，创建一个名为“Uart_HelloWorld”的工程；
（2）点击“Create Block Design”，创建一个Block设计，也就是图形化设计；

（3）进入到“Block Design”界面后，点击“Add IP”按钮，搜索“zynq”，在搜索结果列表中双击“ZYNQ7 Processing System”；

（4）双击Block图中的“processing_system7_0”（即zynq的PS端IP核），配置该IP核的参数；

（5）首先出现的界面是ZYNQ硬核的架构图，可以很清楚看到它的结构，可以参考ug585文档，里面有对ZYNQ的详细介绍。图中绿色部分是可配置模块，可以点击进入相应的编辑界面，当然也可以在左侧的窗口进入编辑。

（6）本教程使用的ZYNQ开发板为ZerdBoard，该开发板使用J14串口用于数据传输，电路图如下图所示，可知该串口的FPGA端接口为MIO48、MIO49。

（7）选择“Peripheral I/O Pins”选项卡，勾选“UART1”；

（8）选择“MIO Configuration”选项卡，设置好Bank0 I/O Voltage和Bank1I/O Voltage；ZedBoard的Bank0 I/O Voltage设为LVCMOS 3.3V、Bank1 I/O Voltage设为LVCMOS 1.8V。

（9）选择“Clock Configuration”选项卡，根据ZerdBoard板卡配置，Input Frequency(MHz)设置为33.333333MHz，CPU Clock Ratio默认为6:2:1。

（10）选择“DDR Configuration”选项卡，根据ZerdBoard板卡配置，DDR型号选择为MT41J128M16HA-15E。

（11）点击“OK”按钮，完成该IP核的配置。点击“Run Block Automation”， Vivado软件会自动完成一些导出端口的工作。

（12）按照默认点击“OK”，不更改任何参数。

（13）点击“OK”以后我们可以看到PS端导出一些管脚，包括DDR还有FIXED_IO，DDR是DDR3的接口信号，FIXED_IO为PS端固定的一些接口，比如输入时钟，PS端复位信号，MIO等。连接FCLK_CLK0到M_AXI_GP0_ACLK，按“Ctrl+S”保存设计。

（14）选择Block设计，右键“Create HDL Wrapper…”,创建一个Verilog或VHDL 文件，为block design生成HDL顶层文件。

（15）保持默认选项，点击“OK”

（16）展开设计可以看到PS被当成一个普通IP来使用。选择block设计，右键“Generate OutputProducts”，此步骤会生成block的输出文件，包括IP，例化模板，RTL源文件，XDC约束，第三方综合源文件等等。供后续操作使用。

（17）弹出的窗口直接安装默认设置，点击“Generate”。

（18）点击Vivado “Flow Navigator”一栏里的“Generate Bitstream”，等待Vivado生成好bit文件后，在菜单栏“File -> Export -> Export Hardware…”导出硬件信息，这里就包含了PS端的配置信息。

（19）在弹出的对话框中勾选“Include bitstream”并点击“Next”以及“Finished”。



（20）到此为止，Vivado的工作告一段落，Vivado最后导出了一个硬件平台的XSA文件。软件开发工程师用该XSA文件便可以脱离Vivado软件环境对上层应用软件进行开发。

2. Vitis（SDK）工程的建立和调试

在Vivado早期的版本中，软件工程师的开发是在SDK软件中进行的，Vivado目前最新的版本（例如Vivado 2021.1）已将原来的SDK软件升级为Vitis软件。
（1）点击 Vivado 菜单“Tools-> Launch VitisIDE”，启动 Vitis。

（2）首先我们要建立一个平台工程。这个平台工程即对应于我们刚刚在Vivado下搭的硬件平台。点击Vitis菜单“File-> New->Platform Project…”。

（3）工程命名“Zynq7000_Platform”，并点击下一步。

（4）点击“Browse…”指定硬件平台文件，即我们刚用Vivado最后导出的硬件平台配置XSA文件。点击完成。

（5）可以在项目的游览窗口里看到刚建立的平台工程文件夹。

（6）建立好平台工程后，我们再建立一个应用工程，该工程即实现串口打印“Hello World”信息。点击Vitis菜单“File-> New->Application Project…”，并点击下一步。


（7）选中我们刚建好的“Zynq7000_Platform”平台工程，并点击下一步。

（8）给应用工程取个名字，并点击下一步。

（9）从应用工程模板里，选择“Hello World”工程，点击“Finish”按钮。
（10）分别编译平台工程和应用工程。

（11）至此，我们完成了所有SDK软件的配置和开发工作。

3. 下载程序至开发板

（1）作者使用的开发板为ZedBoard开发板，板卡上的跳线帽MIO2~MIO6都接地，如下图所示。板卡和计算机之间连好JTAG下载线和串口线（USB转串口），给板卡上电。

（2）Vitis下点击“Run Configurations…”

（3）点击“Single Application Debug(GDB)”，在“Application”选项卡中勾选“ps7_cortexa9_0”，点击“Run”按钮。

（4）程序运行成功后，便会在计算机的串口调试助手上打印如下信息。

（5）至此我们完成了ZYNQ串口打印输出项目的全部工作内容。

4. 工程源码下载

该工程对应的源码可以通过关注该微信公众号，找到对应的原创文章进行下载，工程采用的是Vivado2021.1版本。
如果大家对我们的文章感兴趣，可以关注我们的微信公众号：“图灵研究院”：