【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第十八章Hello World(上)

作者：ALINX

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适用于板卡型号：
AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

vivado工程目录为“ps_hello/vivado”

从本章开始由FPGA工程师与软件开发工程师协同实现。

前面的实验都是在PL端进行的，可以看到和普通FPGA开发流程没有任何区别，ZYNQ的主要优势就是FPGA和ARM的合理结合，这对开发人员提出了更高的要求。从本章开始，我们开始使用ARM，也就是我们说的PS，本章我们使用一个简单的串口打印来体验一下Vivado Vitis和PS端的特性。

前面的实验都是FPGA工程师应该做的事情，从本章节开始就有了分工，FPGA工程师负责把Vivado工程搭建好，提供好硬件给软件开发人员，软件开发人员便能在这个基础上开发应用程序。做好分工，也有利于项目的推进。如果是软件开发人员想把所有的事情都做了，可能需要花费很多时间和精力去学习FPGA的知识，由软件思维转成硬件思维是个比较痛苦的过程，如果纯粹的学习，又有时间，就另当别论了。专业的人做专业的事，是个很好的选择。

1. 硬件介绍

我们从原理图中可以看到ZYNQ芯片分为PL和PS，PS端的IO分配相对是固定的，不能任意分配，而且不需要在Vivado软件里分配管脚，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。前面章节介绍的是代码形式的工程，本章开始介绍ZYNQ的图形化方式建立工程。

FPGA工程师工作内容

下面介绍FPGA工程师负责内容。

2. Vivado工程建立

2.1 创建一个名为“ps_hello”的工程，建立过程不再赘述，参考“PL的”Hello World”LED实验”。

2.2 点击“Create Block Design”，创建一个Block设计，也就是图形化设计

2.3 “Design name”这里不做修改，保持默认“design_1”，这里可以根据需要修改，不过名字要尽量简短，否则在Windows下编译会有问题。

2.4 点击“Add IP”快捷图标

2.5 搜索“zynq”，在搜索结果列表中双击”Zynq UltraScale+ MPSoC”

2.6 双击Block图中的ZYNQ核，配置相关参数

2.7 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ug1085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。下面对各个窗口的功能一一介绍。

2.7.1 Low Speed配置

1) 在I/O Configuration窗口，配置BANK0~BANK2电压为LVCMOS18，BANK3电压为LVCMOS33。首先配置Low Speed管脚，勾选QSPI，并设置为”Single”模式，Data Mode为”x4“，勾选Feedback Clk

2) (AXU2CGA开发板没有EMMC，不需要勾选此项)勾选SD 0，配置eMMC。选择MIO13..22，Slot Type选择eMMC，Data Transfer Mode为8Bit，勾选Reset，并选择MIO23。

3) 勾选SD 1，配置SD卡。选择MIO 46..51，Slot Type选择SD 2.0，Data Transfer Mode选择4Bit，勾选CD，用于检测SD卡插入，选择MIO45

4) 勾选I2C 1，用于EEPROM等的I2C，选择MIO 32..33

5) 勾选串口UART 1，选择MIO 42..43

6) 勾选TTC0~TTC 3

2.7.2High Speed配置

1) High Speed部分首先配置PS端以太网，勾选GEM 3，选择MIO 64..75，勾选MDIO 3，选择MIO 76..77

2) 勾选USB 0，选择MIO 52..63，勾选USB 3.0，选择GT Lane1

USB复位选择MIO 31

3) 勾选PCIe

4) 点开Switch To Advanced Mode，选择PCIe Configuration，修改以下几个参数，配置为ROOT模式

5) 回到I/O Configuration，选择GT Lane0，复位选择MIO 37；勾选Display Port，选择MIO 27..30，Lane Selection选择Dual Higher

至此，I/O部分配置完毕

2.7.3 时钟配置

1) 在Clock Configuration界面，Input Clocks窗口配置参考时钟，其中PSS_REF_CLOCK为ARM的参考时钟默认为33.333MHz；PCIe选择Ref Clk0，100MHz；Display Port选择Ref Clk2，27MHz；USB0选择Ref Clk1，26MHz。

2) 在Output Clocks窗口，如果不是IOPLL，改成IOPLL，保持一致，用同样的PLL

3) PL的时钟保持默认，这是给PL端逻辑提供的时钟。

4) Full Power部分，其他保持默认，将DP_VIDEO改为VPLL，DP_AUDIO和DP_STC改为RPLL。

最下面的Interconnect修改如下

其他部分保持默认，至此，时钟部分配置完成。

2.7.4 DDR配置

在DDR Configuration窗口中，Load DDR Presets选择”DDR4_MICRON_MT40A256M16GE_083E”

AXU2CGA开发板配置如下：

AXU2CGB开发板配置如下：

其它保持默认，点击OK，配置完成，并连接时钟如下：

1）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。

2）保持默认选项，点击“OK”

3）展开设计可以看到PS被当成一个普通IP 来使用。

4）选择block设计，右键“Generate Output Products”，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。

5）点击“Generate”

6）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。

7） 在弹出的窗口中选择Fixed，点击Next

8) 在弹出的对话框中点击“OK”，因为实验仅仅是使用了PS的串口，不需要PL参与，这里就没有使能不选择“Include bitstream”，点击Next

9) 可修改导出名字以及导出路径，默认是在vivado工程目录下的，这个文件可以根据自己的需要在合适的位置，不一定要放在vivado工程下面，vivado和vitis软件是独立的。在这里我们选择默认不做更改。点击Next

点击Finish

此时在工程目录下可以看到xsa文件，这个文件就是这个文件就包含了Vivado硬件设计的信息，可交由软件开发人员使用。

到此为止，FPGA工程师工作告一段落。