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Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程

Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程

作者：劉玉梅
出版社：科學出版社出版時間：2021-11-01
開本： 其他 頁數(shù)： 236
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Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程 版權信息

Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程 本書特色

適讀人群 ：高等院校電子信息類專業(yè)本科生，嵌入式系統(tǒng)設計和應用技術人員本書可以作為高等院校電子信息類專業(yè)本科生教材和研究生學習參考用書，也可供嵌入式系統(tǒng)設計和應用技術人員自學的參考資料。

Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程 內容簡介

本書以XilinxZynq-7000SoC系列為背景，介紹嵌入式系統(tǒng)設計和開發(fā)技術。全書以ZynqPS(ARMCortexA9)為核心，以ZynqPL(FPGA)部分為可編程外設，分10章。內容包括Vivado集成開發(fā)環(huán)境介紹、Zynq體系結構與開發(fā)流程、GPIO原理及接口程序設計、中斷與定時技術、Zynq處理器的軟件編程與FPGA的硬件協(xié)同設計、以PetaLinx工具實現(xiàn)嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植、Zynq外設模塊結構和功能技術及綜合案例設計等內容。并以Xilinx公司新一代集成開發(fā)環(huán)境Vivado為平臺，基于XC7Z020SoC器件，介紹了嵌入式系統(tǒng)的完整設計流程，設計了實驗案例，并提供案例代碼。

Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程 目錄

目錄
前言
第1章 Xilinx Zynq-7000 SoC概述 1
1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介 1
1.2 片上系統(tǒng)的發(fā)展 4
1.3 Zynq AP SoC系統(tǒng) 5
1.3.1 Zynq-7000 SoC簡化模型 5
1.3.2 嵌入式SoC設計 6
1.4 Zynq-7000 SoC產品分類及資源 7
1.5 Zynq-7000 SoC功能和結構 8
1.5.1 Zynq-7000 SoC的功能 8
1.5.2 Zynq-7000 SoC處理系統(tǒng) 9
1.5.3 Zynq-7000 SoC可編程邏輯的構成 11
1.5.4 Zynq-7000 SoC內部的互聯(lián)結構 13
第2章 Zynq開發(fā)方法與開發(fā)流程 15
2.1 Zynq-7000 SoC開發(fā)流程 15
2.2 基于Vivado和SDK設計的開發(fā)流程 19
2.2.1 加載開發(fā)板的板載文件 19
2.2.2 使用Vivado創(chuàng)建硬件工程 19
2.2.3 使用SDK開發(fā)軟件 32
2.2.4 知識與實驗拓展 37
2.3 Zynq的啟動流程和啟動鏡像文件制作方法 39
2.3.1 Zynq-7000 SoC啟動流程 39
2.3.2 啟動文件的生成與下載 40
2.3.3 復習與拓展 46
2.4 Zynq開發(fā)流程總結 47
第3章 GPIO原理及應用實現(xiàn) 49
3.1 GPIO原理 49
3.1.1 GPIO接口及功能 49
3.1.2 Zynq GPIO的相關寄存器配置 50
3.1.3 GPIO編程實例 52
3.2 GPIO實驗案例 61
3.2.1 實驗目標 61
3.2.2 實驗內容 61
3.2.3 實驗流程與步驟 61
3.3 實驗要求與驗收標準 73
3.4 實驗拓展 74
第4章 Zynq中斷與定時技術 75
4.1 中斷技術 75
4.1.1 中斷原理 76
4.1.2 Zynq中斷體系結構 77
4.1.3 中斷程序設計 81
4.2 Zynq定時器技術 85
4.2.1 私有定時器和私有看門狗定時器 86
4.2.2 全局定時器/計數(shù)器 87
4.2.3 系統(tǒng)看門狗定時器 88
4.2.4 定時器/計數(shù)器 89
4.2.5 定時程序設計 91
4.3 Zynq中斷與定時實驗案例 94
4.3.1 實驗目標 94
4.3.2 實驗內容 94
4.3.3 實驗流程與步驟 94
4.4 實驗要求與驗收標準 102
4.5 實驗拓展 102
第5章 用戶自定義IP核設計 103
5.1 IP核概述 103
5.2 IP核設計方法 104
5.3 自定義IP核實驗案例 105
5.3.1 實驗目標 105
5.3.2 實驗內容 105
5.3.3 實驗流程與步驟 105
5.4 實驗要求與驗收標準 124
5.5 實驗拓展 124
第6章 Zynq調試技術及軟硬件系統(tǒng)調試 125
6.1 ILA核簡介 125
6.2 VIO核簡介 127
6.3 構建協(xié)同調試硬件系統(tǒng)和軟件工程 129
6.3.1 硬件系統(tǒng)構建 129
6.3.2 軟件工程創(chuàng)建 135
6.4 軟硬件協(xié)同調試 137
第7章 外設模塊結構和功能 144
7.1 SD/SDIO外設控制器 144
7.2 吉比特以太網(wǎng)控制器 146
7.3 UART控制器 149
7.4 I2C控制器 152
7.4.1 I2C概述 152
7.4.2 I2C控制器的功能 153
7.5 Zynq-7000 SoC內置XADC原理及實現(xiàn) 156
7.5.1 XADC結構 156
7.5.2 XADC工作模式 158
7.5.3 XADC IP核結構 161
7.5.4 XADC應用實例 162
第8章 Linux操作系統(tǒng)的移植和驅動技術 168
8.1 概述 168
8.2 使用PetaLinux工具配置Linux系統(tǒng) 168
8.2.1 準備Vivado工程 168
8.2.2 建立PetaLinux工程 169
8.2.3 配置Linux內核 175
8.2.4 配置根文件系統(tǒng) 177
8.2.5 編譯內核 177
8.2.6 生成BOOT文件 178
8.2.7 測試Linux系統(tǒng) 179
8.3 Linux系統(tǒng)常用命令簡介 180
8.4 Linux Xilinx GPIO 驅動技術簡介 181
8.5 Linux系統(tǒng)下GPIO 驅動實驗案例 184
8.6 Linux系統(tǒng)設備驅動技術 186
8.6.1 I2C設備驅動 187
8.6.2 Vivado工程設計 187
8.6.3 使用PetaLinux工具配置Linux系統(tǒng)及I2C驅動 187
8.6.4 使用C語言程序控制I2C設備 195
8.6.5 運行結果與拓展 197
第9章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 198
9.1 系統(tǒng)功能描述 198
9.2 任務分析設計 199
9.2.1 系統(tǒng)使用的相關傳感器概述 200
9.2.2 硬件系統(tǒng)設計 205
9.2.3 軟件功能設計 206
9.3 軟硬件程序設計與實現(xiàn) 210
9.3.1 使用Vivado創(chuàng)建硬件工程 210
9.3.2 使用SDK軟件設計系統(tǒng)功能 214
9.4 題目拓展 221
第10章 實驗平臺與開發(fā)環(huán)境概述 222
10.1 硬件平臺概述 222
10.2 集成開發(fā)環(huán)境概述 224
參考文獻 226
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Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計實驗教程 節(jié)選

第1章 Xilinx Zynq-7000 SoC概述 本章首先對嵌入式系統(tǒng)、微處理器技術的發(fā)展進行概述，然后對Xilinx公司的全可編程技術的Zynq-7000 SoC進行介紹，主要包括片上系統(tǒng)（system on chip，SoC）的發(fā)展、Zynq-7000 SoC系統(tǒng)簡化模型、產品分類及資源、功能和結構、嵌入式開發(fā)技術。 1.1 嵌入式系統(tǒng)簡介 1. 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)發(fā)展 現(xiàn)代計算機系統(tǒng)發(fā)展有兩大分支，即通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)。 1）通用計算機系統(tǒng) 通用計算機系統(tǒng)是以高速、海量的數(shù)值計算為主的計算機系統(tǒng)，其以數(shù)值計算和處理為主，包括巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機等。其技術要求是高速、海量的數(shù)值計算，技術方向是總線速度的無限提升、存儲容量的無限擴大。 2）嵌入式計算機系統(tǒng) 嵌入式計算機系統(tǒng)是嵌入對象體系中、以控制對象為主的計算機系統(tǒng)。其以對象的控制為主，技術要求是對對象的智能化控制能力，技術發(fā)展方向是與對象系統(tǒng)密切相關的嵌入性能、控制能力與控制的可靠性。 嵌入式系統(tǒng)可應用在工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能管理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)、電子商務、環(huán)境監(jiān)測和機器人等方面。 2. 嵌入式系統(tǒng)定義 1）廣泛定義 電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）對嵌入式系統(tǒng)的定義為：嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或者輔助機器、設備運行的裝置。 2）一般定義 嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟硬件可裁剪，應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。其是將應用程序、操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)，是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。 3. 嵌入式處理器分類 1）微處理器 嵌入式微處理器（embedded microprocessor unit，EMPU）由通用計算機的微處理器（microprocessor unit，MPU）演變而來，芯片內部沒有存儲器，輸入/輸出（input/output，I/O）接口電路也很少。在嵌入式應用中，嵌入式微處理器去掉了多余的功能部件，而只保留與嵌入式應用緊密相關的功能部件，以保證它能以*低的資源和功耗實現(xiàn)嵌入式的應用需求。目前主要的嵌入式處理器類型有SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/Strong ARM系列等。 2）微控制器 推動嵌入式計算機系統(tǒng)走向獨立發(fā)展道路的芯片，也稱為單片微型計算機，簡稱單片機。由于這類芯片的作用主要是控制被嵌入設備的相關動作，因此業(yè)界常稱這類芯片為微控制器（microcontroller unit，MCU）。這種8位的電子器件目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成只讀存儲器/電可擦除只讀存儲器（read-only memory/erasable programmable read-only memory，ROM/EPROM）、隨機存取存儲器（random access memory，RAM）、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗定時器、I/O接口等各種必要功能和外設，代表性的通用系列包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。 3）嵌入式數(shù)字信號處理器 嵌入式數(shù)字信號處理器（embedded digital signal processor，EDSP）是指在微控制器的基礎上對系統(tǒng)結構和指令系統(tǒng)進行了特殊設計，使其適合執(zhí)行數(shù)字信號處理（digital signal processing，DSP）算法并提高了編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）、譜分析等方面，DSP算法正大量進入嵌入式領域，使DSP應用從早期的在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用EDSP的階段，代表性的產品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。 4）SoC SoC是專用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）設計方法學中產生的一種新技術，是指以嵌入式系統(tǒng)為核心、以知識產權（intellectual property，IP）復用技術為基礎、集軟硬件于一體，并追求產品系統(tǒng)*大包容的集成芯片。SoC一般包括系統(tǒng)級芯片控制邏輯模塊、中央處理器（central processing unit，CPU）內核模塊、DSP模塊、嵌入的存儲器模塊、與外部通信的接口模塊、含有模數(shù)轉換器/數(shù)模轉換器（analog to digital converter/digital to analog converter，ADC/DAC）的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊等，是一個具備特定功能、服務于特定市場的軟件和集成電路的混合體。 4. 國產華為鯤鵬微處理器技術簡介 華為公司從1991年研制**枚傳輸網(wǎng)絡芯片開始，不斷探索自主研發(fā)技術，至2019年已研制出7nm制程、數(shù)據(jù)中心處理器鯤鵬920，其發(fā)展歷程如圖1.1所示。 鯤鵬微處理器是面向信息與通信技術（information and communication technology，ICT）領域、兼容ARM 64位指令集的多核處理器芯片，基于華為自研的具有完全知識產權的ARM?v8架構，采用業(yè)界領先的7nm制程、多Die合封的Chiplet封裝工藝，在提供強大計算能力的同時還集成了豐富且強大的I/O能力，為行業(yè)用戶實現(xiàn)業(yè)務加速提供支撐。 圖1.1 華為鯤鵬微處理器發(fā)展歷程 華為鯤鵬微處理器的特點如下： （1）鯤鵬作為通用的ARM v8處理器，是全球ARM生態(tài)中的重要一員； （2）已經(jīng)構筑了相對完整的鯤鵬軟件生態(tài)； （3）鯤鵬不僅局限于鯤鵬系列服務器芯片，更是包含了完整的服務器軟硬件生態(tài)和全棧的云服務生態(tài)； （4）匯聚了芯片、服務器、操作系統(tǒng)、虛擬化容器、應用軟件、云服務和解決方案等。 華為鯤鵬系列微處理器的優(yōu)勢如下： （1）提供強大的計算能力，*多支持64核； （2）采用自研的具有完全知識產權的ARM v8架構； （3）可通過片間高速緩沖存儲器（Cache）一致性接口Hydra擴展系統(tǒng)核數(shù)； （4）具有豐富且強大的I/O能力，集成以太網(wǎng)控制器、SAS（serial attached SCSI）控制器以及PCI-E 4.0控制器； （5）芯片集成安全算法引擎、壓縮/解壓縮引擎、存儲算法引擎等加速引擎進行業(yè)務加速。 5. 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形用戶界面及標準化瀏覽器等。與通用操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化及應用的專用性等方面有突出的特點。 低端應用以單片機或專用計算機為核心構成的可編程控制器的形式存在，一般沒有操作系統(tǒng)的支持，具有監(jiān)控、伺服、設備指示等功能，帶有明顯的電子系統(tǒng)設計特點。高端應用以嵌入式CPU和嵌入式操作系統(tǒng)及各應用軟件構成的專用計算機系統(tǒng)的形式存在。 嵌入式操作系統(tǒng)通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面和標準化瀏覽器等，能運行于各種不同類型的微處理器上，具有編碼體積小、面向應用、可裁剪和移植、實時性強、可靠性高、專用性強等特點，并具有大量的應用程序接口（application program interface，API）。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有嵌入式Linux、Windows CE、Symbian、Android、uC/OS-II、VxWorks等。 1.2 片上系統(tǒng)的發(fā)展 在幾十年前，要構建一個嵌入式系統(tǒng)，需要使用大量的器件、大量的機械連接裝置，以及額外大量的ASIC器件。這種設計結構會帶來各方面問題，如增加系統(tǒng)的整體功耗、總成本，降低系統(tǒng)的可靠性和安全性，系統(tǒng)維護成本較高等。 隨著半導體技術的不斷發(fā)展，可以將構成系統(tǒng)的大量元件集成到單個芯片中，如CPU內核、總線結構、功能豐富的外設控制器，以及模數(shù)混合器件。這種將一個計算機系統(tǒng)集成到單芯片中的結構稱為SoC。SoC的解決方案成本更低，能在不同的系統(tǒng)單元之間實現(xiàn)更快、更安全的數(shù)據(jù)傳輸，具有更高的整體系統(tǒng)速度、更低的功耗、更小的物理尺寸和更高的可靠性。 但是基于ASIC的SoC也有開發(fā)時間長和成本高、靈活性差等缺點。開發(fā)ASIC工程時開發(fā)時間和投入成本是巨大的，使得這種SoC類型只適合于大批量而且將來不需要升級的市場領域；贏SIC的SoC的應用包括在個人計算機（personal computer，PC）、平板電腦和智能手機上用的集成處理器；贏SIC的SoC的局限性導致它們不適用于很多應用，特別是那些需要快速投入市場以及產品的靈活性和升級能力比較重要的情形。對于小批量或中批量的產品，基于ASIC的SoC也不是很好的解決方案。 顯然，人們需要更靈活的解決方案，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）是自然的選擇。FPGA可以配置實現(xiàn)任何系統(tǒng)的芯片，可以用來實現(xiàn)嵌入式處理器。FPGA還可以完全重新配置，與用ASIC 實現(xiàn)SoC相比，F(xiàn)PGA能構成更為基礎靈活的平臺。在一個需要系統(tǒng)升級的應用中部署FPGA幾乎是沒有風險的。美國Xilinx公司提出了全可編程（all programmable，AP）SoC結構，即AP SoC。與SoC相比，AP SoC充分利用了FPGA內部結構的靈活性，克服了傳統(tǒng)SoC器件靈活性差、專用性強及設計復雜的缺點；同時，AP SoC又具備傳統(tǒng)SoC器件的所有優(yōu)勢。 Xilinx公司將自己開發(fā)的8位Picoblaze和32位Microblaze軟核的嵌入式處理器，以及IBM公司的 PowerPC和ARM公司的雙核Cortex-A9硬核處理器嵌入FPGA芯片中。這種基于FPGA的全可編程平臺提供了一個更加靈活的解決方案。在這個方案中，單個可編程芯片上提供了大量不同的IP軟核和硬核資源，并且設計人員可以在任何時間對這些資源進行升級。這種全可編程的結構特點，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)時間。并且，同一平臺能應用在很多領域，因此極大地提高了平臺的資源復用率。 全可編程結構的出現(xiàn)使得設計人員可以優(yōu)化系統(tǒng)吞吐量及開發(fā)周期，并且提供前所未有的軟件和硬件邏輯協(xié)同設計的靈活性。這種靈活性主要體現(xiàn)在當設計嵌入式系統(tǒng)時，設計人員能夠根據(jù)系統(tǒng)性能要求和提供的設計資源，靈活地確定如何將系統(tǒng)實現(xiàn)的功能合理地分配到軟件和可編程邏輯資源。這就是軟件和硬件設計的協(xié)同性，這種協(xié)同性不同于傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的協(xié)同設計，因為雖然傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)也使用軟件和硬件的協(xié)同設計，但是基本上還是大量地使用分離的設計流程。典型地，硬件設計人員負責制定硬件設計規(guī)范，而軟件設計人員負責制定軟件設計規(guī)范，結果就導致參與嵌入式系統(tǒng)設計的軟件和硬件開發(fā)人員對同一問題有著截然不同的理解。同時，這對設計團隊的溝通能力也提出了很高的要求。 目前，隨著AP SoC容量和性能的不斷提高，全新的AP技術已經(jīng)應用到不同的領域，如通信、汽車電子、大數(shù)據(jù)處理、機器學習等。它已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上用于連接不同接口設

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