簡談Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

大俠好，歡迎來到FPGA技術江湖，江湖偌大，相見即是緣分。大俠可以關注FPGA技術江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。

今天給大俠帶來簡談Xilinx Zynq-7000嵌入式系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，話不多說，上貨。

Xilinx的ZYNQ系列FPGA是二種看上去對立面的思想的融合，ARM處理器的串行執(zhí)行+FPGA的并行執(zhí)行，著力于解決大數(shù)據(jù)處理、人工智能等復雜高性能算法處理。新的設計工具的推出，vivado HLS，更加注重嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)級建模，通過HLS工具，用戶只需要編寫C語言代碼，就可以讓工具自動轉(zhuǎn)換和生成HDL代碼。

隨著異構架構和片上系統(tǒng)技術的不斷發(fā)展，協(xié)同設計、協(xié)同仿真和協(xié)同調(diào)試將成為未來嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者必備的素質(zhì)。所謂的協(xié)同，就是要求設計者同時掌握軟件和硬件知識，這與傳統(tǒng)上軟件和硬件分離的設計方法有著本質(zhì)的區(qū)別。由于半導體技術的不斷發(fā)展，使得電子系統(tǒng)從傳統(tǒng)的PCB板級進化到芯片級，對于嵌入式系統(tǒng)的小型化、低功耗和可靠性的改善都提供了強大的保證。

1、全可編程片上系統(tǒng)基礎知識

以傳統(tǒng)的現(xiàn)場可編程門陣列結構（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）為基礎，將專用的中央處理器單元（Central Processing Uint，CPU）和可編程邏輯資源集成在單個芯片中，產(chǎn)生了一種全新的設計平臺，我們稱之為全可編程片上系統(tǒng)（ALL Programmable System-on-chip，APSoC）.

SoC的架構如下：（固化、靈活性差、專用性強、設計復雜）

SoC、CPU、MCU的比較

SoC:可以集成多個功能強大的處理器內(nèi)核、可以集成存儲塊、IO資源及其他外設、可以集成GPUDSP音頻視頻解碼器等、可以運行不同的操作系統(tǒng)、用于高級應用如智能手機平板電腦等；

CPU：單個處理器核，需要外部額外的存儲器核外設支持，應用絕大多數(shù)場合；

MCU:典型的只有一個處理器內(nèi)核、內(nèi)部包含了存儲器、IO及其他外設、用于工業(yè)控制領域如嵌入式應用。

AP SoC的誕生背景：

在全可編程平臺設計階段，設計已經(jīng)從傳統(tǒng)上以硬件描述語言HDL為中心的硬件邏輯設計，轉(zhuǎn)換到以C語言為代表的軟件為中心的功能描述，所以就形成了以C語言描述嵌入式系統(tǒng)結構的功能，而用HDL語言描述硬件的具體實現(xiàn)的設計方法，這也是基于全可編程SoC和傳統(tǒng)上基于SoC器件實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)設計的最大區(qū)別，即真正實現(xiàn)了軟件和硬件的協(xié)同設計。

最大優(yōu)點可實現(xiàn)硬件加速：

設計者可以根據(jù)需求在硬件實現(xiàn)和軟件實現(xiàn)之間進行權衡，使所設計的嵌入式系統(tǒng)滿足最好的性價比要求，例如，在實現(xiàn)一個嵌入式系統(tǒng)設計時，當使用軟件實現(xiàn)算法成為整個系統(tǒng)性能的瓶頸時，設計人員可以選全可編程SoC內(nèi)使用硬件邏輯定制協(xié)處理器引擎來高效的實現(xiàn)該算法，這個使用硬件邏輯實現(xiàn)的協(xié)處理器，可以通過AMBA接口與全可編程SoC內(nèi)的ARM Cortex A9嵌入式處理器連接，此外，通過XilinX所提供的最新高級綜合工具HLS，設計者很容易將軟件瓶頸轉(zhuǎn)換為由硬件處理。

2、全可編程片上系統(tǒng)中的處理器類型

根據(jù)不同的需求，全可編程片上系統(tǒng)的處理器可以分為軟核和硬核處理器。

硬核處理器：早期Xilinx將IBM公司的PowerPC硬核集成在V5系列的FPGA中，后來將ARM公司的雙核Cortex-A9硬核集成在ZYNQ 7000系列的SoC芯片中

軟核處理器：對于一些對處理器性能要求不是很高的需求，沒有必要在硅片上專門劃分一定的區(qū)域來實現(xiàn)專用的處理器，而是通過使用FPGA芯片內(nèi)所提供的設計資源，包括LUTbram、觸發(fā)器和互聯(lián)資源，實現(xiàn)一個處理器的功能，這就是軟核處理器，對于軟核處理器，他通過HDL語言或者網(wǎng)表進行描述 ，通過通過綜合后才能被使用。

3、ZYNQ-7000 SoC功能與結構

在該全可編程SoC中，雙核ARM-Cortex-A9多核CPU是PS的心臟，它包含片上存儲器、外部存儲器接口和豐富功能的外設。與傳統(tǒng)的FPGA和SoC相比，ZYNQ7000不但提供了FPGA靈活性和可擴展性，也提供了專用集成電路的相關性能、功耗和易用性。

ZYNQ 7000的結構便于將定制邏輯和軟件分別映射到PL和PS中，這樣就可實現(xiàn)獨一無二和差異化的系統(tǒng)功能。

與傳統(tǒng)的FPGA方法不同的是，ZYNQ 7000 SoC總是最先啟動PS內(nèi)的處理器，這樣允許PS上運行的基于軟件程序用于啟動系統(tǒng)并且配置PL，這樣可以將配置PL設置成啟動過程的一部分或者在將來的某個時間再單獨的配置PL，此外可以實現(xiàn)PL的完全重配置或者使用部分可重配置（PR，Partional Reconfihuration，允許動態(tài)的重新配置PL中的某一個部分，這樣能夠?qū)υO計進行動態(tài)的修改）。

本次簡談到此結束，后續(xù)會帶來PS構成、PL構成、互聯(lián)結構、供電引腳、MIO到EMIO的鏈接等內(nèi)容。大俠，有緣再見！