本項目演示了如何在Vivado中創(chuàng)建一個簡單的PL設(shè)計來控制KR260載波板上的用戶定義LED (DS7和DS8)。該設(shè)計使用了一個通過AXI SmartConnect連接到Zynq UltraScale+處理系統(tǒng)(PS)的AXI GPIO IP核，實現(xiàn)了在APU上運行的Linux對led的軟件控制。

這是針對Xilinx KR260的自定義Yocto Linux和網(wǎng)絡(luò)啟動的后續(xù)項目，該文章提供了具有PYNQ、XRT和網(wǎng)絡(luò)啟動功能的基礎(chǔ)Linux環(huán)境。

問題陳述

在KR260上開發(fā)FPGA應(yīng)用時，通常需要：

?創(chuàng)建與PS交互的定制PL設(shè)計

?快速原型和測試硬件設(shè)計，沒有冗長的編譯周期

?在與更復(fù)雜的應(yīng)用程序集成之前驗證硬件功能

?準備與RPU固件或自定義Linux驅(qū)動程序集成的硬件設(shè)計

傳統(tǒng)FPGA開發(fā)工作流程要求：

?編寫HDL代碼或使用IP積分器

?綜合和實現(xiàn)設(shè)計

?生成比特流

?閃爍SD卡或手動加載比特流

?編寫C/ c++應(yīng)用程序與硬件交互

這個項目通過以下方式簡化了這個工作流程：

?使用Vivado的IP Integrator進行視覺設(shè)計

?利用PYNQ進行基于python的硬件交互

?通過網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)和動態(tài)比特流加載實現(xiàn)快速迭代

系統(tǒng)架構(gòu)

硬件體系結(jié)構(gòu)

PL設(shè)計包括：

軟件架構(gòu)

設(shè)計組件

Zynq UltraScale+ PS: ARM Cortex-A53內(nèi)核的處理系統(tǒng)

?M_AXI_HPM0_LPD: PL訪問的低功率域主端口

?PL_CLK0: 100mhz時鐘輸出到PL

?PL_RESETN0：復(fù)位信號到PL

AXI SmartConnect：用于AXI總線路由的互連IP

?連接PS主站到PL從站

?處理協(xié)議轉(zhuǎn)換和地址映射

axis GPIO：通用I/O IP核

?2位輸出通道(GPIO[1:0])

?AXI4-Lite從接口

?基址：由Vivado分配(通常在LPD地址空間0x80000000-0x9FFFFFFF中)

Processor System Reset：復(fù)位控制器

?同步復(fù)位信號

?提供重置到PL邏輯

先決條件

以前的項目設(shè)置

本項目假設(shè)您已經(jīng)完成了Custom Yocto Linux & Network Boot項目，該項目提供：

?可網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)的Yocto Linux鏡像

?PYNQ 3.1.2 runtime

?XRT和ZOCL支持

?在端口9090上的Jupyter Notebook服務(wù)器

?掛載在/nfsroot的NFS根文件系統(tǒng)

循序漸進的指導(dǎo)

步驟1：創(chuàng)建Vivado項目

?啟動Vivado并選擇Create Project

?項目設(shè)置：項目名稱：gpio_led

?項目位置：選擇您的工作空間目錄項目類型：RTL項目(默認)

?添加源：單擊Next(我們將使用IP Integrator創(chuàng)建設(shè)計)

?添加約束：單擊Next(稍后我們將添加約束)

?默認部件：選擇“KR260”的“Boards”選項卡，選擇“KR260 Robotics Starter kit”，單擊“Next”，完成

步驟2：創(chuàng)建塊設(shè)計

?在流程導(dǎo)航器中，單擊創(chuàng)建塊設(shè)計名稱：gpio_led

?單擊OK

?添加Zynq UltraScale+ PS：單擊圖中的“+”按鈕搜索Zynq UltraScale+ ps雙擊添加“zynq_ultra_pse_0”

?配置PS：雙擊PS塊在PS配置窗口，導(dǎo)航到PS- pl配置→GeneralEnable M_AXI_HPM0_LPD(低功耗域主端口)單擊運行塊自動化這將啟用M_AXI_HPM0_LPD， PL_CLK0和pl_resetn0單擊確定

步驟3：添加AXI GPIO IP

?添加AXI GPIO：點擊+按鈕搜索AXI GPIO雙擊添加ax_gpio_0

?配置AXI GPIO：雙擊GPIO blockGPIO:Check All OutputsGPIO Width: 2單擊OK

?運行連接自動化：

?單擊“運行連接自動化”

?選擇全部自動化

?這將：連接PS M_AXI_HPM0_LPD到AXI smartconnect連接AXI SmartConnect到AXI GPIOConnect時鐘和復(fù)位信號

?單擊OK

步驟4：使GPIO外部

?創(chuàng)建外部端口：右鍵單擊ax_gpio_0 GPIO端口選擇Make ExternalRename the Port to led_output

?驗證設(shè)計：單擊驗證設(shè)計(F6)確保沒有錯誤或嚴重警告

?創(chuàng)建HDL包裝器：右鍵單擊源代碼中的gpio_led塊設(shè)計，選擇創(chuàng)建HDL包裝器，選擇讓Vivado管理包裝器并自動更新，單擊OK

步驟5：添加引腳約束

?創(chuàng)建約束文件：在“源”中，右鍵單擊“約束”→“約束”，選擇“添加源”→“添加或創(chuàng)建約束”，單擊“創(chuàng)建文件”，文件名：gpio_led.xdc

?單擊OK并完成

添加引腳約束：打開gpio_led。XDC并添加：

?保存約束文件

步驟6：綜合設(shè)計

?運行合成：在Flow Navigator中單擊Run Synthesis等待合成完成(5-10分鐘取決于PC)

?評審綜合結(jié)果：檢查是否有錯誤或嚴重警告，驗證資源利用是否合理

步驟7：執(zhí)行設(shè)計

?運行實現(xiàn)：點擊運行實現(xiàn)等待實現(xiàn)完成(10-20分鐘，取決于PC)

?檢查實現(xiàn)結(jié)果：檢查定時關(guān)閉驗證無嚴重警告

步驟8：生成比特流

?生成比特流：單擊“生成比特流”，等待比特流生成(PC機不同，需要5-10分鐘)。

?校驗輸出文件：生成比特流后，校驗這些文件是否存在：gpio_led.runs/impl_1/gpio_led_wrapper.bit - bitstream filegpio_led.gen/sources_1/bd/gpio_led/ hw_handdoff /gpio_led. gen/hwh -硬件描述

步驟9：導(dǎo)出硬件

?導(dǎo)出硬件：在Flow Navigator中，進入File→Export→Export HardwareSelect Include bitstreamClick NextExport位置：Default(項目目錄)文件名：gpio_led.xsa

?單擊“完成”。xsa文件將在下一個項目中用于RPU與Vitis的集成。

步驟10：將文件復(fù)制到NFS共享

?定位生成文件：Bitstream: gpio_led_runs /impl_1/gpio_led_wrapper.bit

?硬件描述：gpio_led.gen/sources_1/bd/gpio_led/hw_handoff/gpio_led.hwh

?拷貝到NFS根目錄：在你的NFS服務(wù)器上(/nfsroot掛載的地方)：

步驟11：創(chuàng)建PYNQ筆記本

?創(chuàng)建筆記本文件：創(chuàng)建led_blink_pynq?！?nfsroot/home/xilinx/Notebook/”目錄下的ipynb

?或者將其創(chuàng)建為Python腳本并進行轉(zhuǎn)換，或者使用Jupyter的web界面。

步驟12：在KR260上驗證

?運行Notebook：執(zhí)行第一個cell以重置pl_execute第二個cell以加載比特流并運行KR260板上的LED patternObserve LEDs DS7和DS8

預(yù)期的行為:

?預(yù)期行為：LED0 (DS8)和LED1 (DS7)將以行走模式閃爍：模式1:LED0 ON， LED1 OFF (0x1)模式2:LED0 OFF， LED1 ON (0x2)模式3:Both LEDs ON (0x3)模式4:LED0 OFF， LED1 ON (0x2)重復(fù)5次，循環(huán)之間暫停0.5s

了解守則

PYNQ疊加加載

PYNQ的Overlay類：

?將比特流加載到FPGA中

?解析。了解HWH文件的硬件結(jié)構(gòu)

?為每個IP核創(chuàng)建Python對象(例如，overlay.axi_gpio_0)

AXI GPIO訪問

?axi_gpio_0是來自于Vivado塊設(shè)計的實例名

?channel1是GPIO通道(channel1是第一個通道)

?GPIO對象提供read()和write()方法

LED控制

?pattern：要寫的值(0x0到0x3為2位)

?mask：表示要影響哪位的位掩碼(0x3 =兩個位)

設(shè)計注意事項

PS-PL接口選擇

?使用M_AXI_HPM0_LPD(低功率域)代替FPD(全功率域)

?原理：GPIO控制需要低帶寬，使LPD理想的功率效率

?LPD為GPIO操作提供了足夠的性能，同時功耗更低

?FPD端口更適合高帶寬應(yīng)用(視頻處理、DMA等)。

時鐘域

?PL時鐘：100 MHz(來自PS PL_CLK0)

?AXI總線時鐘：100mhz(與PL時鐘同步)

?GPIO更新速率：受Python循環(huán)速度限制(本例中為~ 4hz)

GPIO配置

?所有輸出：GPIO配置為僅輸出(無輸入能力)

?寬度：2位(匹配兩個led)

?I/O標準：LVCMOS18(兼容KR260 HP bank)

地址空間

?AXI GPIO基址：0x80000000 (LPD地址空間)

?地址范圍：64 KB(標準的AXI4-Lite slave)

?可以通過PYNQ從Linux用戶空間訪問

注：LPD (Low Power Domain)使用0x80000000地址范圍，適用于GPIO和其他低帶寬外設(shè)

下一個步驟

該項目為更高級的PL開發(fā)提供了基礎(chǔ)：

?增加更多的GPIO：擴展到控制額外的led或讀開關(guān)

?自定義IP集成：在設(shè)計中添加自定義AXI IP內(nèi)核

?中斷支持：為事件驅(qū)動控制配置GPIO中斷

?RPU集成：將LED控制邏輯移動到RPU(見下一個項目)

?下一步：RPU與FreeRTOS集成

本系列的下一個項目將演示：

?使用賽靈思Vitis Unified IDE為RPU構(gòu)建FreeRTOS應(yīng)用程序

?使用XRT從APU加載PL位流

?使用remoteproc框架加載RPU固件

?通過libmetal和OpenAMP實現(xiàn)APU-RPU通信

?APU、RPU和PL之間的共享內(nèi)存

?實時LED控制從RPU，而APU處理高級任務(wù)

這將展示KR260的完整異構(gòu)計算能力，結(jié)合：

?APU：用于高級控制和網(wǎng)絡(luò)的Linux

?RPU：用于實時、確定性任務(wù)的FreeRTOS

?PL：定制硬件加速器和I/O

本文編譯自hackster.io