ZYNQ7000系列 PS、PL、AXI 、啟動流程基本概念

一、ZYNQ基本結構

ZYNQ7000系列分為Artix-7 Kintex-7 Virtex-7，各個型號區別參考下面的博文

https://www.jianshu.com/p/005899fe6815

二、ZYNQ7020 分為PS端、PL端

PS: 處理系統 （Processing System) , 就是與 FPGA 無關的 ARM 的 SOC 的部分。

PL: 可編程邏輯 (Progarmmable Logic), 就是 FPGA 部分。

ZYNQ7020的整體架構如下圖所示

Zynq 就是兩大功能塊，PS 部分和 PL 部分， 說白了，就是 ARM 的 SOC 部分，和 FPGA部分。其中，PS 集成了兩個 ARM Cortex-A9 處理器，AMBA互連，內部存儲器，外部儲器接口和外設。這些外設主要包括 USB 總線接口，以太網接口，SD/SDIO 接口，I2C 總線接口，CAN 總線接口，UART 接口，GPIO 等。

三、PS和PL互聯技術

3.1、ZYNQ作為首款將高性能ARM Cortex-A9系列處理器與高性能FPGA在單芯片內緊密結合的產品，為了實現ARM處理器和FPGA之間的高速通信和數據交互

3.2、發揮 ARM 處理器和 FPGA的性能優勢，需要設計高效的片內高性能處理器與 FPGA 之間的互聯通路。本節，我們就將主要介紹 PS 和 PL 的連接，讓用戶了解 PS 和 PL 之間連接的技術。

3.3、在具體設計中我們往往不需要在連接這個地方做太多工作，我們加入 IP 核以后，系統會自動使用 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補充就可以了。

AXI 全稱 Advanced eXtensible Interface，是 Xilinx 從 6 系列的 FPGA 開始引入的一個接口協議，主要描述了主設備和從設備之間的數據傳輸方式。在 ZYNQ 中繼續使用，版本是 AXI4，所以我們經常會看到 AXI4.0，ZYNQ 內部設備都有 AXI 接口。

3.4、其實 AXI 就是 ARM 公司提出的AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）的一個部分，是一種高性能、高帶寬、低延遲的片內總線，也用來替代以前的 AHB 和 APB 總線。

AXI 協議主要描述了主設備和從設備之間的數據傳輸方式，主設備和從設備之間通過握手信號建立連接。當從設備準備好接收數據時，會發出 READY 信號。當主設備的數據準備好時，會發出和維持 VALID 信號，表示數據有效。數據只有在 VALID 和 READY 信號都有效的時候才開始傳輸。當這兩個信號持續保持有效，主設備會繼續傳輸下一個數據。

3.5、主設備可以撤銷VALID 信號，或者從設備撤銷 READY 信號終止傳輸。AXI 的協議如圖，T2 時，從設備的 READY信號有效，T3 時主設備的 VILID 信號有效，數據傳輸開始。

信號有效，T3 時主設備的 VILID 信號有效，數據傳輸開始。

四、ZYNQ 芯片內部用硬件實現了 AXI 總線協議，包括 9 個物理接口，分別為 AXI-GP0~AXIGP3，AXI-HP0~AXI-HP3，AXI-ACP 接口。

1、AXI_ACP 接口，是 ARM 多核架構下定義的一種接口，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，PS 端是 Slave 接口。2、AXI_HP 接口，是高性能/帶寬的 AXI3.0 標準的接口，總共有四個，PL 模塊作為主設備連接。主要用于 PL 訪問 PS 上的存儲器（DDR 和 On-Chip RAM）3、AXI_GP接口，是通用的AXI接口，總共有四個，包括兩個32位主設備接口和兩個32位從設備接口

可以看到，ARM只有兩個 AXI-GP 是 Master Port，即主機接口，其余 7 個口都是 Slave Port（從機接口）。主機接口具有發起讀寫的權限，ARM 可以利用兩個 AXI-GP 主機接口主動訪問 PL 邏輯，其實就是把 PL 映射到某個地址，讀寫 PL 寄存器如同在讀寫自己的存儲器。其余從機接口就屬于被動接口，接受來自 PL 的讀寫，逆來順受。

4.1、這 9 個 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。

4.2、有人會問，為什么高性能接口不做成主機接口呢？這樣可以由 ARM 發起高速數據傳輸。答案是高性能接口根本不需要 ARM CPU 來負責數據搬移，真正的搬運工是位于 PL 中的 DMA 控制器。

4.3、位于 PS 端的 ARM 直接有硬件支持 AXI 接口，而 PL 則需要使用邏輯實現相應的 AXI 協議。Xilinx 在 Vivado 開發環境里提供現成 IP 如 AXI-DMA，AXI-GPIO，AXI-Dataover, AXI-Stream 都實現了相應的接口，使用時直接從 Vivado 的 IP 列表中添加即可實現相應的功能。下圖為 Vivado 下的各種 DMA IP：

下面為幾個常用的 AXI 接口 IP 的功能介紹：

AXI-DMA：實現從 PS 內存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉換AXI-FIFO-MM2S：實現從 PS 內存到 PL 通用傳輸通道 AXI-GP<----->AXI-Stream 的轉換AXI-Datamover：實現從 PS 內存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉換，只不過這次是完全由 PL 控制的，PS 是完全被動的。AXI-VDMA：實現從 PS 內存到 PL 高速傳輸高速通道 AXI-HP<---->AXI-Stream 的轉換，只不過是專門針對視頻、圖像等二維數據的。AXI-CDMA：這個是由 PL 完成的將數據從內存的一個位置搬移到另一個位置，無需 CPU 來插手。

4.4、AXI協議嚴格的講是一個點對點的主從接口協議，當多個外設需要互相交互數據時，我們需要加入一個AXI Interconnect模塊，也就是AXI互聯矩陣，

4.5、作用是提供將一個或多個 AXI 主設備連接到一個或多個 AXI 從設備的一種交換機制（有點類似于交換機里面的交換矩陣）。

4.6、這個 AXI Interconnect IP 核最多可以支持 16 個主設備、 16 個從設備，如果需要更多的接口，可以多加入幾個 IP 核。

AXI Interconnect 基本連接模式有以下幾種：? N-to-1 Interconnect? to-N Interconnect? N-to-M Interconnect (Crossbar Mode)? N-to-M Interconnect (Shared Access Mode)

五、內部鏈接

ZYNQ 內部的 AXI 接口設備就是通過互聯矩陣的的方式互聯起來的，既保證了傳輸數據的高效性，又保證了連接的靈活性。

Xilinx 在 Vivado 里我們提供了實現這種互聯矩陣的 IP 核axi_interconnect，我們只要調用就可以。

六、引腳分配

ZYNQ7020是400腳封裝，從官網的文檔，可以看出ZYNQ7020的引腳分配

PS端的引腳包括BANK500、BANK501、BANK502、

PL端引腳包括 BANK13（部分包含）BANK35、BANK34

下面這張圖，更加形象

七、上面的部分，并沒有把引腳講的很清楚，這里看官方手冊，有如下描述

意思是，PS端的引腳數量是固定的，并且不能分配給PL端使用，最多有54個引腳可以連接到PS端，

他們可以軟件編程連接ps的內部外設或者靜態內存控制器

八、MIO概述

MIO的功能是將從PS外設和靜態內存接口的訪問,復用到配置寄存器中定義的PS引腳。在PS端最多有54針被用以IOP(I/O Peripheral )和靜態內存接口下表4顯示了可以映射不同外設引腳的位置。圖2顯示了MIO模塊的框圖。如果超過了54個引腳個數的其它I/O功能是設計必須的，那他可以通過PL端，路由到與這些功能相關聯的I/O引腳這個特性被稱為可擴展多路復用I/O (EMIO)。

九、MIO、EMIO和AXI_GPIO的關系

ZYNQ7000中與PS相連的引腳包含MIO、EMIO和AXI_GPIO三種類型。

1、MIO直接掛在PS上，而EMIO與PL相連，PS通過PL調用EMIO。MIO共有54bit，EMIO共有64bit。

MIO管腳是固定的，而EMIO需要通過管腳約束文件進行分配。MIO、EMIO管腳號均通過實際原理圖查找。

2、AXI_GPIO是通過AXI總線掛在PS上的GPIO，一般通過調用IP核實現，如PS通過AXI_Uartlite調用PL端資源。

而EMIO在Block Design文件上表現為PS上的一個引出接口。

十、PS-PL MIO-EMIO信號和接口

由于MIO引腳的數量有限，MIO是I/O外圍連接的基礎?？梢攒浖幊蘄O信號路由到MIO引腳。也可以通過EMIO接口將I/O外圍信號路由到PL端，

這非常有用，用來PS獲得更多的設備引腳（PL端引腳），或者允許一個PS端外設的一個引腳路由到PL的內部IP邏輯端口，如圖2

十一、啟動流程

12.1、啟動模式

Boot 模式3種啟動模式可以使用:? PS Master Non-secure Boot? PS Master Secure Boot? JTAG/PJTAG Boot

12.2、啟動階段

Zynq-7000 AP SoC 支持安全和非安全啟動處理，啟動分3個階段 ? Stage-0 Boot (BootROM) ? First Stage Bootloader ? Second Stage Bootloader (Optional)

12.3、階段0：Stage-0 Boot (BootROM)

12.4、階段1：FSBL（First Stage Bootloader ）

FSBL（第一階段引導加載程序）在BootROM之后啟動，這個BootROM將FSBL加載到OCM（On-Chip Memory ），

FSBL負責下面的幾項工作

1、初始化PS端的配置數據（使用xilinx硬件配置工具提供的）2、用bitstream文件燒寫PL端3、加載第二階段BootLoader或者邏輯代碼到DDR內存4、卻換到第二階段BootLoader或者邏輯代碼運行

FSBL流程圖

下圖是一個簡單的FSBL流程圖:

12.5、第二階段啟動流程：Second Stage Bootloader

第二階段引導加載程序是可選的，并由用戶設計。

Zynq-7000 AP SoC BootROM加載程序需要引導映像頭，它加載單個分區，通常是FSBL。引導映像的其余部分由FSBL加載和處理。

xilinx提供了一個名為Bootgen的實用程序(用來創建一個適合ROM或Fash的引導映像)。它通過構建所需的引導頭、

附加描述以下分區的表并將輸入數據文件(ELF文件、FPGA bit流和其他二進制文件)處理到分區來創建映像。

12.6、Boot Image 格式

Boot鏡像格式包含下面幾個方面 ? BootROM header ? FSBL image ? One or more partition images ? Unused space, if available

12.7、下圖顯示了Zynq-7000 AP SoC Linux引導映像分區的示例。

編輯：jq