基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU216评估套件详细内容介绍

Zynq UltraScale+ RFSoC 是业界首款单芯片自适应无线电平台，在一款芯片内集成射频直采数据转换器、单芯片软决策前向纠错核（SD-FEC）、FPGA逻辑、完整的ARM处理器子系统和高速收发器等。

第三代RFSoC器件与前几代产品相比，射频输入输出频率响应已扩展至全面支持6GHz以下频段，可帮助用户开发尖端RF设计，例如大规模MIMO无线电、5G基带、固定无线接入、测试测量与相控阵雷达等等。第三代器件14bit分辨率ADC最大采样速率增加到5.0GSPS，14bit分辨率DAC最大采样速率增加到10.0GSPS。用户可以参考XMP105详细了解Zynq RFSoC系列产品具体参数及选型指南。

本次将分上下篇介绍基于Xilinx Zynq UltraScale+ RFSoC ZCU216评估套件的详细内容：

1. 第三代RFSoC 器件时钟转发特性。

2. ZCU216时钟结构及可行的时钟设计方案。

3. 在Vivado中创建基于IP集成器（IP Integrator）的设计。

4. 在Vitis中创建基于ARM的BareMetal程序设计。

5. 代码简要分析。

6. 硬件环境及测试结果。

本文用于示例的软件工具、驱动版本、硬件版本及文档版本如下：

1. ZCU216 Rev-A02（Engineer Sample）

2. CLK104

3. Vivado 2021.2 + Vitis 2021.2

4. PG269 V2.6 October 27， 2021

5. Software Driver： rfdc v11.0

1. 第三代RFSoC 器件时钟转发特性：

RFSoC在芯片内集成了数据转换器，第三代RFSoC系列器件均包含4个ADC Tile和4个DAC Tile，每个ADC和DAC Tile内可能包含1个（ZU43DR）或2个（ZU47DR/48DR）或者4个（ZU49DR）Channel，这取决于芯片型号。以ZCU216开发板上的芯片为例，ZU49DR的每个ADC Tile内包含4路ADC，每个DAC Tile内包含4路DAC。

每个Tile都可以独立配置，工作在不同的采样时钟频率上，采样时钟可以来自于外部高频时钟输入，可以来自于每个Tile内部PLL倍频后的时钟，也可以来自于其他Tile分发的参考时钟。

第三代RFSoC器件相比之前几代产品引入了时钟转发特性，不再需要为每个Tile都提供独立的采样时钟，节省了引脚数量，降低了外围电路的复杂度。

时钟转发的方式共分为两种，一种是参考时钟转发，一种是采样时钟转发。

所谓参考时钟转发，是指外部时钟芯片提供低噪声低频时钟到一个ADC/DAC Tile的专用时钟管脚，该时钟将在Tile间转发，通过每个Tile内的PLL倍频出所需的采样时钟；

而采样时钟转发有两种途径，一是从外部时钟芯片直接提供低噪声高频的采样时钟到一个ADC/DAC Tile的专用时钟管脚，采样时钟将在Tile间分发，无需通过内部PLL倍频，直接提供给ADC/DAC Channel作为采样时钟；

时钟芯片提供低噪声低频时钟到一个ADC/DAC Tile的专用时钟管脚，该时钟在此Tile内通过PLL倍频到采样频率，随后将此采样时钟在Tile间分发。

以上仅为时钟分发方式的简化解释，会有一些使用的限制和建议，建议用户参考PG269 Chapter 4 Clocking-On-chip Clock Distribution章节阅读。

用户也可以打开Vivado，选择器件型号后在RF Data Converter IP内根据原理图和目标设计进行配置，如果时钟设计存在问题，工具会给予一定的报警和提示。

值得注意的是，RF Data Converter IP内的选项和上述的两种分发方式不是完全匹配的。当使用采样时钟分发方式时，在IP内需要勾选的是Input Refclk。ADC Tile 1（Tile 225）和DAC Tile 1（Tile 229）作为采样时钟输入源，其他的ADC和DAC Tile选择Tile 1作为时钟源。

2. ZCU216时钟结构及可行的时钟设计方案：

本节仅覆盖ZCU216开发板与RF数据转换器相关的时钟部分，这部分时钟均由扩展子卡CLK104提供。

如下所示为CLK104板上的功能示意图：

通过一个时钟芯片为DAC提供接近10GSPS的低噪声采样时钟是很难实现的，CLK104板采用两级PLL方案。

第一级LMK04828B是一个双环路抖动清除器和时钟发生器，一级回路的参考输入可为板上的10MHz TCXO、外部参考时钟（比如从SMA100B输出低噪声时钟），或SFP恢复时钟。二级回路的参考输入为板上的160MHz VCXO，可输出低相噪的时钟、同步信号。其中DAC_REFCLK和ADC_REFCLK可作为ADC/DAC低频参考时钟输入；PL_CLK，AMS_SYSREF和PL_SYSREF均用作MTS（Multi-Tile Synchronization）应用，我们将在未来博客中详细描述MTS相关应用；

第二级LMX2594接收第一级输出时钟，将其倍频到采样频率，直接输出到ADC/DAC Tile。

这三颗时钟芯片均由SPI接口控制，板上有一颗IIC to SPI桥接芯片，FPGA通过IIC接口对此转换芯片进行控制，进而控制三颗时钟芯片。除此以外还有一种更为简单的方式，ZCU216板上带有一颗TI的MSP430 MCU，其IIC接口通过IIC Switch也可以连接到这几颗时钟IC上，用户可以参考XTP580，使用BoardUI实现对时钟的配置。

ZCU216上的芯片型号为ZU49DR，其4个ADC Tile和4个DAC Tile都有专用的模拟时钟输入管脚，但只有两个ADC Tile（Bank 225/226）和两个DAC Tile（Bank 229/230）的时钟管脚被引出。如下表所示为详细连接关系：

本文后续将会展示以下的时钟方案配置：

使用LMX2594输出高频采样时钟分发方式，从ADC Tile1和DAC Tile1输入。设定ADC 采样频率为2000MHz，DAC采样频率为6400MHz。

3. 在Vivado中创建基于IP集成器

（IP Integrator）的设计

本节需要读者对基于Vivado的IPI设计比较熟悉，将不会对较简单的操作步骤进行详述。如何使用此Blog提供的TCL文件重建Vivado工程请参考附录。

Ø 打开Vivado 2021.2，新建工程，名为rfsoc_zcu216_clocking。

Ø 选择板卡ZCU216 EVB或ZCU216 ES EVB，根据板卡型号决定，二者bitstream不兼容。

Ø 在工程界面内创建Block Design，默认名为design_1。

Ø添加Zynq UltraScale+ MPSoC IP，Run Block automation，使用板卡默认配置。

Ø 修改Zynq配置，PS-PL Configuration界面下将AXI HPM0/1 FPD接口关闭，勾选AXI HPM0 LPD，其他保持默认。

Ø 添加Zynq UltraScale+ RF Data Converter IP。

Ø 修改RF Data Converter配置。

1. 切换Converter Setup为Advanced模式。

2. 使能全部ADC和DAC的每个Channel，其他所有配置大多数都是可以通过API修改的，保持默认即可，后续将会介绍如何通过API修改。

3. 修改全部ADC的Samples per AXI4-Stream Cycle为8，DAC为16，这是为了避免AXI-Stream接口时钟频率超出器件频率上限。

4.在System Clocking界面按下图配置，如上一节所示，我们将先按ADC 2GSPS，DAC 6.4GSPS进行配置，使用采样时钟分发方式。IP的输出时钟可以用于倍频产生AXI4-Stream数据接口的时钟，因此我们先保持和Fabric clock 频率8分频的关系进行配置。

5. Advanced界面保持默认，无需勾选。

Ø Run Block Automation，将RFDC IP AXI-Lite接口通过Interconnect连接到Zynq LPD接口实现地址映射。

Ø 为AXI4-Stream接口提供合适的时钟和复位。

1. 点击BD界面上方Run Block Automation。

2. 由于所有ADC/DAC采样率是一致的，可以使用一个MMCM产生ADC/DAC所需的数字时钟。在弹出界面中勾选ADC 0-3的时钟源为ADC0，DAC0-3的时钟源为DAC0。

3. 工具将会自动例化两个Clocking Wizard IP，adc0_clk_wiz使用IP输出的31.25MHz的时钟作为输入，倍频输出200MHz时钟供给Master接口。Dac0_clk_wiz使用IP输出的50MHz时钟作为输入，倍频输出400MHz时钟供给给Slave接口。

4. 修改clocking wizard复位极性为低电平有效。

5.例化两个Processor System Reset IP，并连接peripheral_aresetn到RFDC IP的s/m_axis_aresetn管脚上。其中Slave AXI-Stream接口是DAC的数字接口，Master AXI-Stream是ADC的数字接口。

6. 例化一个AXI GPIO IP，用于控制时钟板CLK104上的SPI SDO选通。设定为输出，位宽为2，初始值设定为0x0。

7. 引出AXI GPIO IP，命名为spi_mux。

Ø 完整的Block Design大致如下：

Ø 在BD中右键Validate design，确保没有报错。

Ø 创建顶层文件，右键BD，Create HDL Wrapper，选择Let Vivado manage wrapper and auto-update。

Ø 添加管脚约束，RFDC相关管脚为专有管脚，IP内包含管脚约束，用户无需为此添加。

Ø 生成bitstream，检查工程是否有时序违例。

Ø 导出工程XSA文件，File-Export-Export Hardware，勾选Include Bitstream，选择导出目录。

在Vitis中创建基于ARM的BareMetal程序设计：

详细流程：

Ø 打开Vitis，选择一个Vitis工作目录。

Ø Create Application，选择一个新的XSA文件，导入从Vivado获得的XSA文件。

Ø为工程取一个名，以Empty Application（C）为模板新建工程。

Ø勾选BSP中的库，双击platform.spr，选中standalone_psu_cortexa53_0下的Board Support Package，选择Modify BSP Settings，勾选libmetal库，保存。

Ø 导入源码，从附件中找到main.c，可以直接拷贝到工程src目录下，或者右键src目录选择Import sources。

Ø 添加工程Symbol。右键工程选择C/C++ build settings，在Symbols中添加__BAREMETAL__。

Ø 编译工程，如果有宏定义相关报错，应该是底层IP命名问题，可以在xparameters.h中找到实际的宏定义。

如何添加metal log：

Libmetal库提供了metal_log API以便于用户调试，用户可以参考AR#71068使能打印功能：

https://support.xilinx.com/s/article/71068

Metal_log提供了8个等级的打印信息，用户可以根据项目所处的不同阶段决定开启哪一个等级的调试信息。

代码简要分析：

整体流程大致如下：

1. Libmetal初始化。

2. RFDC IP初始化。

3. IIC/GPIO/SPI Mux初始化。

4. CLK104时钟IC复位。

5. CLK104时钟配置。

6. 设置RFDC Clock Distribution。

7. 查看RFDC IP状态。

这里主要强调一下三个部分，一是时钟配置，二是Clock Distribution，三是状态检查。

如前面章节所说，FPGA通过IIC接口与IIC to SPI桥接芯片进行交互，桥接芯片通过SPI接口控制时钟IC。配置数据在本案例中是记录在数组中的，数据来源于TI的TICS Pro软件。用户需要根据实际的需求，在软件中选择时钟IC的输入输出频率和管脚复用，由软件导出一组针对此时钟IC的寄存器数值。

Clock Dsitribution部分，IP驱动提供了相关的结构体和API，具体组成部分可以参考PG269文档相关部分。以下是DAC Tile的时钟分发网络配置代码：

在我们目前的设计中，使用LMX2594产生的高频参考时钟输入到DAC Tile1，因此结构体中指定source tile为XRFDC_TILE_ID1；此时钟分发组内最北的是DAC Tile3，最南的是DAC Tile0；分发类型是参考钟分发，因此选择XRFDC_DIST_OUT_RX；参考钟频率为6400，采样率为6400；将此结构体传入到XRFdc_SetClkDistribution函数中，函数内部会检查当前配置是否有效，并在配置结束以后启动tile。

检查IP状态是最后一步，IP启动过程共有15个阶段，只有当Tile状态达到0xf的时候说明此Tile正常启动，接下来可以正常工作，如果发现Tile状态停在某一步，可以对照PG269 Power-on Sequence Steps章节查找原因。

硬件环境及测试结果：

建议按照XTP587完成板子硬件环境setup：

1. 连接电源、USB-JTAG。

2. 安装CLK104时钟板。

3. 使用出厂自带的CARLISLE连接线，将CLK104 ADC/DAC参考钟接到板上。

4. 设置启动模式为JTAG。

测试结果：

由打印的IP status对比可见，时钟成功配置，所有DAC和ADC Tile均进入到状态0xf。

附录：

此文章提供重建工程TCL脚本，用户可以下载附件，按照如下步骤重建Vivado工程：

1. 打开Vivado 2021.2。

-对Windows系统，双击桌面Vivado图标或到此目录寻找执行文件C:XilinxVivado2021.2invivado.bat。

- 对Linux系统，source/settings64.sh。

2. 在Vivado console中，将当前目录更换到下载的附件目录。Cd。

3. Source 。/vivado_project.tcl。

Vitis工程需要用户自行创建，本文会提供测试源代码。

原文标题：开发者分享｜第三代Zynq RFSoC器件射频数据转换器应用： 时钟设计

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      审核编辑：彭静