使用ZYNQ进行嵌入式系统设计

[导读]

基于ZYNQ实现复杂嵌入式系统非常便利，其应用领域也越来越广泛，本文来从对ZYNQ芯片架构的理解来谈谈个人体会。

俯瞰zynq

ZYNQ主要由两大部分组成：

处理系统PS（Processing System）：上图左上部分即是PS部分，包括：

同构双核ARM Cortex A9的对称多处理器 （Symmetric  Multi-Processing，SMP）

丰富的外设，2×SPI，2×I2C，2×CAN，2×UART，2×SDIO，2×USB，2×GigE，GPIO

静态存储控制器：Quad-SPI，NAND，NOR

动态存储控制器：DDR3，DDR2，LPDDR2

可编程逻辑PL（Programmable logic）：兼容赛灵思7系列FPGA

基于Artix的芯片：Z-7010以及Z-7020

基于Kintex的芯片：Z-7030以及Z-7045

ZYNQ处理系统端PS所有的外设都连接在AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）总线，而基于FPGA设计的IP则可以通过AXI接口挂载在AMBA总线上，从而实现内部各组件的互联互通。这里涉及到两个概念：

AMBA总线，熟悉ARM架构的朋友应该都大致了解， AMBA是ARM公司的注册商标。是一种用于片上系统（SoC）设计中功能块的连接和管理的开放标准片上互连规范。

它促进了具有总线结构及多控制器或组件的多核处理器设计开发。自成立以来，AMBA已广为应用，远远超出了微控制器设备领域。如今，AMBA已广泛用于各种ASIC和SoC部件，包括在现代便携式移动设备中使用的应用处理器。

高级可扩展接口AXI（Advanced eXtensible Interface）：是ARM公司AMBA 3.0 和AMBA 4.0规范的一部分，是并行高性能，同步，高频，多主机，多从机通讯接口，主要设计用于片上通讯。为啥说AXI是AMBA的一部分，看看下面两个图就可以比较清晰的了解。

ZYNQ的高度灵活性

灵活的PS端IO复用

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，如下图所示。

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。

灵活的PS-PL互连接口

Extended Multiplexed I/O (EMIO) :扩展MIO，如果想通过PS来访问PL又不想浪费AXI总线时，就可以通过EMIO接口来访问PL。54个I/O中，其中一部分只能用于MIO，大部分可以用于MIO或EMIO，少量引脚只能通过EMIO访问。

如上图，比如I2C0则可以通过EMIO映射到PL端的引脚输出，这无疑又增加了更多的灵活性！

PS-PL接口HP0-HP3：如上架构图中AXI high-performance slave ports (HP0-HP3) 实现了PS-PL的接口

可配置的32位或64位数据宽度

只能访问片上存储器OCM（On chip memory）和DDR

AXI FIFO接口(AFI)利用1KB FIFOs来缓冲大数据传输

PS-PL接口GP0-GP1：如上架构图中AXI general-purpose ports

两个PS主接口连接到PL的两个从设备

32位数据宽度

一个连接到CPU内存的64位加速器一致端口（ACP）AXI从接口，ACP 是 SCU （一致性控制单元）上的一个 64 位从机接口，实现从 PL 到 PS 的异步 cache 一致性接入点。

ACP 是可以被很多 PL 主机所访问的，用以实现和 APU 处理器相同的方式访问存储子系统。

这能达到提升整体性能、改善功耗和简化软件的效果。ACP 接口的表现和标准的 AXI 从机接口是一样的，支持大多数标准读和写的操作而不需要在 PL 部件中加入额外的一致性操作。

DMA, 中断, 事件信号：

处理器事件总线信号事件信息到CPU

PL外设IP中断到PS通用中断控制器(GIC)

四个DMA通道RDY/ACK信号

扩展多路复用I/O (EMIO)允许PS外设端口访问PL逻辑和设备I/O引脚。

时钟以及复位信号：

四个PS时钟带使能控制连接到PL

四个PS复位信号连接到PL

灵活的时钟系统

PS时钟源：

PS端具有4个外部时钟源引脚

PS端具有3个PLL时钟模块

PS端具有4个时钟源可输出到PL

PL端具有7个时钟源

PL端时钟源域相对PS端不同

PL端时钟可灵活来自PL端外部引脚，因为FPGA的硬可编程性，完全灵活配置

也可使用PS端的4个时钟源

注意

PL和PS之间的时钟同步是由PS端处理

PL不能提供时钟给PS使用

丰富的IP库

Zynq 是一种SoC，具有大量的标准 IP，这些部件不再需要重新设计而直接可用。以这样的方式提升了设计抽象层级，加上重用预先测试和验证过的部件，开发将被加速，而成本则可以降低。就像常说的：“ 为什么要重新发明轮子呢？”。

Vivado内置了大量的IP可供使用，比如数学计算IP，信号处理IP、图像视频处理IP，通信互连（以太网、DDS、调制、软件无线电、错误校验）、处理器IP（MicroBlaze等）、甚至人工智能算法IP。

比如信号处理IP，由于采用FPGA硬逻辑实现信号处理无需CPU计算，对于实现复杂的信号运算（比如实现一个非常高阶的FIR滤波、多点FFT计算）具有非常大优势。

双ARM硬核处理器

如架构图，ZYNQ内置了双ARM Cortex-A9硬核，对软件设计提供了极大的灵活性，在该处理器上可运行Linux,Android等复杂的操作系统，相比常规FPGA嵌软核IP的做法具有更强大的运算处理能力，你可能会说其处理器的运算能力相比时下的其他ARM芯片或稍有不足，但基本能满足常规的医疗、工业领域等嵌入式系统应用需求。

PL/PS的有机结合

通过前面的简要分析介绍，不难发现PL可编程硬件逻辑及处理器单元的结合做的非常好。

PL端：可设计出高灵活的外设系统，同时可编程硬件逻辑电路，可实现真正的硬并行处理、硬实时系统

PS端：PL端与PS的有机结合，有可实现对这种高灵活、硬并行、硬实时处理系统实现集中软件管理

试想，如果一个系统需要实现硬实时、硬并行，复杂外设互连系统：

或许会采用多微控制器（比如单片机）+处理器方案，微处理器实现实时需求，处理器运行Linux实现上层业务逻辑的方式。

或者采用FPGA+处理器来实现。

这两种方案技术复杂度都非常高，硬件电路PCB设计比较复杂，软件开发以及维护也会增加复杂度。而ZYNQ则可以很好的解决此类系统设计需求，真正做到system on chip，这也是SOC的一个很好的体现。

总结一下

ZYNQ这种高度灵活性，丰富的外设，丰富的IP库，以及vivado强大易用的开发环境，对使用ZYNQ进行嵌入式系统设计带来了非常多优势。

审核编辑：刘清