简谈Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现

FPGA技术江湖

今天给大侠带来简谈Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现，话不多说，上货。
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Xilinx的ZYNQ系列FPGA是二种看上去对立面的思想的融合，ARM处理器的串行执行+FPGA的并行执行，着力于解决大数据处理、人工智能等复杂高性能算法处理。新的设计工具的推出，vivado HLS，更加注重嵌入式系统的系统级建模，通过HLS工具，用户只需要编写C语言代码，就可以让工具自动转换和生成HDL代码。
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随着异构架构和片上系统技术的不断发展，协同设计、协同仿真和协同调试将成为未来嵌入式系统开发者必备的素质。所谓的协同，就是要求设计者同时掌握软件和硬件知识，这与传统上软件和硬件分离的设计方法有着本质的区别。由于半导体技术的不断发展，使得电子系统从传统的PCB板级进化到芯片级，对于嵌入式系统的小型化、低功耗和可靠性的改善都提供了强大的保证。

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1、全可编程片上系统基础知识

以传统的现场可编程门阵列结构（Field Programmable Gate Array，FPGA）为基础，将专用的中央处理器单元（Central Processing Uint，CPU）和可编程逻辑资源集成在单个芯片中，产生了一种全新的设计平台，我们称之为全可编程片上系统（ALL Programmable System-on-chip，APSoC）.

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SoC的架构如下：（固化、灵活性差、专用性强、设计复杂）

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SoC、CPU、mcu的比较

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SoC:可以集成多个功能强大的处理器内核、可以集成存储块、IO资源及其他外设、可以集成GPU\DSP\音频视频解码器等、可以运行不同的操作系统、用于高级应用如智能手机\平板电脑等；

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CPU：单个处理器核，需要外部额外的存储器核外设支持，应用绝大多数场合；

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MCU:典型的只有一个处理器内核、内部包含了存储器、IO及其他外设、用于工业控制领域如嵌入式应用。

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AP SoC的诞生背景：

在全可编程平台设计阶段，设计已经从传统上以硬件描述语言HDL为中心的硬件逻辑设计，转换到以C语言为代表的软件为中心的功能描述，所以就形成了以C语言描述嵌入式系统结构的功能，而用HDL语言描述硬件的具体实现的设计方法，这也是基于全可编程SoC和传统上基于SoC器件实现嵌入式系统设计的最大区别，即真正实现了软件和硬件的协同设计。

最大优点可实现硬件加速：

设计者可以根据需求在硬件实现和软件实现之间进行权衡，使所设计的嵌入式系统满足最好的性价比要求，例如，在实现一个嵌入式系统设计时，当使用软件实现算法成为整个系统性能的瓶颈时，设计人员可以选全可编程SoC内使用硬件逻辑定制协处理器引擎来高效的实现该算法，这个使用硬件逻辑实现的协处理器，可以通过AMBA接口与全可编程SoC内的ARM Cortex A9嵌入式处理器连接，此外，通过XilinX所提供的最新高级综合工具HLS，设计者很容易将软件瓶颈转换为由硬件处理。

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2、全可编程片上系统中的处理器类型

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根据不同的需求，全可编程片上系统的处理器可以分为软核和硬核处理器。

硬核处理器：早期Xilinx将IBM公司的PowerPC硬核集成在V5系列的FPGA中，后来将ARM公司的双核Cortex-A9硬核集成在ZYNQ 7000系列的SoC芯片中

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软核处理器：对于一些对处理器性能要求不是很高的需求，没有必要在硅片上专门划分一定的区域来实现专用的处理器，而是通过使用FPGA芯片内所提供的设计资源，包括LUT\bram、触发器和互联资源，实现一个处理器的功能，这就是软核处理器，对于软核处理器，他通过HDL语言或者网表进行描述 ，通过通过综合后才能被使用。

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3、ZYNQ-7000 SoC功能与结构

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在该全可编程SoC中，双核ARM-Cortex-A9多核CPU是PS的心脏，它包含片上存储器、外部存储器接口和丰富功能的外设。与传统的FPGA和SoC相比，ZYNQ7000不但提供了FPGA灵活性和可扩展性，也提供了专用集成电路的相关性能、功耗和易用性。

ZYNQ 7000的结构便于将定制逻辑和软件分别映射到PL和PS中，这样就可实现独一无二和差异化的系统功能。

与传统的FPGA方法不同的是，ZYNQ 7000 SoC总是最先启动PS内的处理器，这样允许PS上运行的基于软件程序用于启动系统并且配置PL，这样可以将配置PL设置成启动过程的一部分或者在将来的某个时间再单独的配置PL，此外可以实现PL的完全重配置或者使用部分可重配置（PR，Partional Reconfihuration，允许动态的重新配置PL中的某一个部分，这样能够对设计进行动态的修改）。

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本次简谈到此结束，后续会带来PS构成、PL构成、互联结构、供电引脚、MIO到EMIO的链接等内容。大侠，有缘再见！

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xygongkui

FPGA在硬件加速方面也有很大的优势