1、概述

ZYNQ是xilinx推出一個(gè)款SOC，其亮點(diǎn)在于FPGA里包含了完整的ARM處理子系統(tǒng)(PS)，每一顆Zynq系列的處理器都包含了Cortex-A9處理器，整個(gè)處理器的搭建都以處理器為中心，而且處理器子系統(tǒng)中集成了內(nèi)存控制器和大量的外設(shè)，使Cortex-A9的核在Zynq-7000中完全獨(dú)立于可編程邏輯單元，也就是說如果暫時(shí)沒有用到可編程邏輯單元部分(PL)，ARM處理器的子系統(tǒng)也可以獨(dú)立工作，這與以前的FPGA有本質(zhì)區(qū)別，其是以處理器為中心的。

Zynq就是兩大功能塊，PS 部分和PL部分，就是ARM的SOC部分，和FPGA部分。其中，PS集成了兩個(gè)ARM Cortex?-A9處理器，AMBA®互連，內(nèi)部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器接口和外設(shè)。這些外設(shè)主要包括USB總線接口，以太網(wǎng)接口，SD/SDIO接口，I2C總線接口，CAN總線接口，UART接口，GPIO等。

ZYNQ芯片總體框圖

其中紅色的PS本身自帶的外設(shè)，黃色框是PS與PL通信接口(兩個(gè)Master、兩個(gè)Slaver)，藍(lán)色框是高性能PS與PL通信接口其只有Slaver接口，我們現(xiàn)主要用作DMA數(shù)據(jù)傳輸。

2、PS和PL互聯(lián)技術(shù)

ZYNQ作為首款將高性能ARM Cortex-A9系列處理器與高性能FPGA在單芯片內(nèi)緊密結(jié)合的產(chǎn)品，高效的PL和PS數(shù)據(jù)交互通路是ZYNQ芯片設(shè)計(jì)的重中之重。

用戶在具體設(shè)計(jì)中往往不需要在連接這個(gè)地方做太多工作，我們加入IP核以后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使用AXI接口將我們的IP核與處理器連接起來，我們只需要再做一點(diǎn)補(bǔ)充就可以了。

2.1AXI總線簡(jiǎn)介

AXI全稱Advanced eXtensible Interface，是Xilinx從6系列的FPGA開始引入的一個(gè)接口協(xié)議，主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。在ZYNQ中繼續(xù)使用，版本是AXI4，所以我們經(jīng)常會(huì)看到AXI4.0，ZYNQ內(nèi)部設(shè)備都有AXI接口。其實(shí)AXI就是ARM公司提出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)的一個(gè)部分，是一種高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線，也用來替代以前的AHB和APB總線。

AXI協(xié)議主要描述了主設(shè)備和從設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，主設(shè)備和從設(shè)備之間通過握手信號(hào)建立連接。當(dāng)從設(shè)備準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)發(fā)出READY信號(hào)。當(dāng)主設(shè)備的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，會(huì)發(fā)出和維持VALID信號(hào)，表示數(shù)據(jù)有效。數(shù)據(jù)只有在VALID和READY信號(hào)都有效的時(shí)候才開始傳輸。當(dāng)這兩個(gè)信號(hào)持續(xù)保持有效，主設(shè)備會(huì)繼續(xù)傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)。主設(shè)備可以撤銷VALID信號(hào)，或者從設(shè)備撤銷READY信號(hào)終止傳輸。AXI的協(xié)議如圖，T2時(shí)，從設(shè)備的READY信號(hào)有效，T3時(shí)主設(shè)備的VILID信號(hào)有效，數(shù)據(jù)傳輸開始。

2.2 AXI三種協(xié)議對(duì)比

在ZYNQ中，支持AXI-Lite，AXI4和AXI-Stream三種總線，通過下表我們可以看到這三中AXI接口的特性。

AXI4-Lite：

具有輕量級(jí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適合小批量數(shù)據(jù)、簡(jiǎn)單控制場(chǎng)合。不支持批量傳輸，讀寫時(shí)一次只能讀寫一個(gè)字(32bit)。主要用于訪問一些低速外設(shè)和外設(shè)的控制。

AXI4：

接口和AXI-Lite差不多，只是增加了一項(xiàng)功能就是批量傳輸，可以連續(xù)對(duì)一片地址進(jìn)行一次性讀寫。也就是說具有數(shù)據(jù)讀寫的burst功能。

上面兩種均采用內(nèi)存映射控制方式，即ARM將用戶自定義IP編入某一地址進(jìn)行訪問，讀寫時(shí)就像在讀寫自己的片內(nèi)RAM，編程也很方便，開發(fā)難度較低。代價(jià)就是資源占用過多，需要額外的讀地址線、寫地址線、讀數(shù)據(jù)線、寫數(shù)據(jù)線、寫應(yīng)答線這些信號(hào)線。

AXI4-Stream：

這是一種連續(xù)流接口，不需要地址線(很像FIFO，一直讀或一直寫就行)。對(duì)于這類IP，ARM不能通過上面的內(nèi)存映射方式控制(FIFO根本沒有地址的概念)，必須有一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，例如AXI-DMA模塊來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存映射到流式接口的轉(zhuǎn)換。AXI-Stream適用的場(chǎng)合有很多：視頻流處理;通信協(xié)議轉(zhuǎn)換;數(shù)字信號(hào)處理;無線通信等。其本質(zhì)都是針對(duì)數(shù)值流構(gòu)建的數(shù)據(jù)通路，從信源(例如ARM內(nèi)存、DMA、無線接收前端等)到信宿(例如HDMI顯示器、高速AD音頻輸出，等)構(gòu)建起連續(xù)的數(shù)據(jù)流。這種接口適合做實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

AXI4和AXI4-Lite接口包含5個(gè)不同的通道：

●Read Address Channel

●Write Address Channel

●Read Data Channel

●Write Data Channel

●Write Response Channel

其中每個(gè)通道都是一個(gè)獨(dú)立的AXI握手協(xié)議。下面兩個(gè)圖分別顯示了讀和寫的模型：

AXI讀數(shù)據(jù)通道

AXI寫數(shù)據(jù)通道

2.3 ZYNQ PL與PS互聯(lián)接口

在ZYNQ芯片內(nèi)部用硬件實(shí)現(xiàn)了AXI總線協(xié)議，包括9個(gè)物理接口，分別為AXI-GP0~AXI-GP3，AXI-HP0~AXI-HP3，AXI-ACP接口。

AXI_ACP接口，是ARM多核架構(gòu)下定義的一種接口，中文翻譯為加速器一致性端口，用來管理DMA之類的不帶緩存的AXI外設(shè)，PS端是Slave接口。

AXI_HP接口，是高性能/帶寬的AXI3.0標(biāo)準(zhǔn)的接口，總共有四個(gè)，PL模塊作為主設(shè)備連接。主要用于PL訪問PS上的存儲(chǔ)器(DDR和On-Chip RAM)

AXI_GP接口，是通用的AXI接口，總共有四個(gè)，包括兩個(gè)32位主設(shè)備接口和兩個(gè)32位從設(shè)備接口。

另外這9個(gè)AXI接口性能也是不同的。GP接口是32位的低性能接口，理論帶寬600MB/s，而HP和ACP接口為64位高性能接口，理論帶寬1200MB/s。

PS端的ARM直接有硬件支持AXI接口，而PL則需要使用邏輯實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的AXI協(xié)議。Xilinx在Vivado開發(fā)環(huán)境里提供現(xiàn)成IP如AXI-DMA，AXI-GPIO，AXI-Dataover, AXI-Stream都實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的接口，使用時(shí)直接從Vivado的IP列表中添加即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

工程實(shí)現(xiàn)

3.1 ZYNQ資源對(duì)比

最終我們開發(fā)所用的芯片為：ZYNQ7045，目前開發(fā)板所用的是：ZYNQ7020，其中各個(gè)ZYNQ的資源的對(duì)比如下圖。

由上圖可以看出，ZYNQ系列7020和7045的主要差別是在FPGA資料上，PS端的資源是一樣的，因此在ZYNQ上PS的代碼具有通用性。

3.2 代碼實(shí)現(xiàn)

下圖是工程整體實(shí)現(xiàn)框圖，首先是初始化系統(tǒng)硬件，然后創(chuàng)建六個(gè)線程來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。

1、網(wǎng)絡(luò)接收線程

目前網(wǎng)絡(luò)接收線程沒有特別多的工作做，主要是上位機(jī)命令的解析。

2、網(wǎng)絡(luò)發(fā)送線程

此線程主要通過AXI_Lite總線以寫寄存器的方式通知PL何時(shí)開始數(shù)據(jù)傳輸、傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等，由于是和PL的自定義IP通信，因此需要自己寫Linux的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)PL根據(jù)PS的命令通過DMA發(fā)送數(shù)據(jù)流到PS端，經(jīng)過PS端將數(shù)據(jù)封裝與打包，發(fā)到上位機(jī)。

3、串口發(fā)送

ZYNQ將射頻組件狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)等雷達(dá)所必要狀態(tài)信息通過PL端自定義IP將信息寫到Bram中并通知PS去讀取數(shù)據(jù)，并根據(jù)協(xié)議要求發(fā)送到上位機(jī)。

4、串口接收

串口接收主要接收上位機(jī)控制命令和參數(shù)，并解析如需要PS控制著直接控制，若需要通過FPGA與射頻板通信或控制，則由PS將數(shù)據(jù)寫入到Bram中并通過AXI_Lite總線通知PL自定義IP讀取數(shù)據(jù)(PS端需要根據(jù)自定義IP寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng))。

5、Bram讀寫

在Vivado的Blockdesign中設(shè)計(jì)一個(gè)Bram模塊，主要用于PS與PL之間小批量的數(shù)據(jù)交互，此線程主要是根據(jù)PL端的信號(hào)和上位機(jī)命令實(shí)現(xiàn)對(duì)Bram的讀寫。

6、系統(tǒng)指示燈

此線程目前無其他功能，僅僅作為系統(tǒng)運(yùn)行指示作用，后續(xù)可根據(jù)需要添加功能。

3.3 工程框圖

下圖是Vivado中的工程框圖，其中紅色部分是實(shí)現(xiàn)Bram功能，黃色框內(nèi)是實(shí)現(xiàn)PL-PS大量數(shù)據(jù)DMA交互的。