【ZYNQ】Zynq 芯片介绍-编程知识

Zynq 是 Xilinx 公司提出的全可编程 SoC 架构，集成了单核或多核 ARM 处理器与 Xilinx 16nm 或 28nm 可编程逻辑，包括 Zynq 7000 Soc，Zynq UltraScale+ MPSoC 和 Zync UltraScale+ RFSoC 等系列。本文主要介绍 Xilinx Zynq 7000 系列芯片架构、功能与开发流程。

1. ZYNQ 概述

1.1 ZYNQ 的架构与组成

1.2 ZYNQ 的功能与特性

1.2.1 APU

1.2.2 存储器接口

1.2.3 I/O 外设

1.2.4 互联块

1.2.5 CLBs, Slices, and LUTs

1.2.6 时钟管理单元

1.2.7 Block RAM, DSPs

1.2.8 Input/Output

2. ZYNQ 开发流程

1. ZYNQ 概述

Zynq 是 Xilinx 公司推出的可编程 SoC 架构，集成了单核或多核 ARM 处理器与 Xilinx 16nm 或 28nm 可编程逻辑，包括 Zynq 7000 Soc，Zynq UltraScale+ MPSoC 和 Zync UltraScale+ RFSoC 等系列。

Zynq 7000 SoC 系列

单核或双核 ARM Cortex-A9 处理器
28nm Artix 7 或 Kintex 7 可编程逻辑
支持 6.25Gb/s 至 12.5Gb/s 收发器

Zynq UltraScale+ MPSoC 系列

双核或四核 ARM Cortex-A53 处理器
双核 ARM Cortex-R5F 处理器
16nm FinFET+ 可编程逻辑
H.264/H.265 视频编解码器

Zynq UltraScale+ RFSoC 系列

四核 ARM Cortex-A53 处理器
双核 ARM Cortex-R5F 处理器
16nm FinFET+ 可编程逻辑
数字 RF-ADC，RF-DAC，SD-FEC

ZYNQ 的优势：

单片集成处理器与可编程逻辑，降低硬件设计复杂性；
提供全可编程（软件、硬件）能力，用途灵活；
提供广泛的行业标准工具和 IP 库；
相比多芯片设计，更低功耗。

ZYNQ 中的嵌入式处理器可运行操作系统和应用程序，可编程逻辑部分可用于实现复杂、对实时性能要求高的信号处理。ZYNQ 具有 ARM 处理器的软件可编程性，以及 FPGA 的硬件可编程性，因此也被称为全可编程 SoC（All Programmable SoC，APSoC）。

ZYNQ 具有高度可配置和更加灵活的特点，可以应用于通信、汽车驾驶、消费电子等领域。

1.1 ZYNQ 的架构与组成

本节主要介绍 Xilinx Zynq-7000 系列芯片架构。Zynq-7000 SoC 主体架构相似，主要由嵌入式处理器（Process System）、可编程逻辑块（Programmable Logic），以及 PS 与 PL 之间的互连线组成。

嵌入式处理器部分采用双核 ARM Cortex-A9 处理器，每个处理器核心都支持 Neon 指令集，单/双精度浮点运算，外设支持 2 x UART, 2 x CAN 2.0B, 2 x I2C, 2 x SPI 和 4 x 32位 GPIO，以及 2 x USB 2.0 (OTG), 2 x 三态千兆以太网, 2 x SD/SDIO。

Zynq-7000 SoC 器件包含 Z-7010、Z-7015、Z-7020、Z-7030、Z-7035、Z-7045 和 Z-7100 型号，不同型号包含的可编程逻辑资源见下表。

Zynq 嵌入式处理器 PS 与可编程逻辑 PL 之间还有以下接口：

2 x 32bit 主 AXI 接口
2 x 32bit 从 AXI 接口
4 x 64-bit/32-bit AXI 存储接口
64 位 ACP
16 个中断

1.2 ZYNQ 的功能与特性

PS 的四个主要部分：

1）应用处理单元（APU）

2）存储器接口

3）I/O 外设

4）互联块

PL 的四个主要部分：

1）CLBs, Slices, and LUTs

2）时钟管理单元

3）Block RAM, DSPs

4）Input/Output

1.2.1 APU

APU 部分主要特点如下：

双核 ARM Cortex-A9 处理器
- 处理能力 2.5 DMIPS/MHz
- 工作频率：667MHz ~ 1GHz
- 单精度，双精度浮点运算能力：2.0 MFLOPS/MHz
- 支持 SIMD 的 NEON 媒体处理引擎
- Level 1 caches，指令与数据各 32KB
- 集成内存管理单元（MMU）
Level 2 Cache（512KB）
双端口片上 RAM（256KB）
8 通道 DMA
- 支持多种传输类型：memory-to-memory, memory-to-peripheral, peripheral-to-memory, and scatter-gather
- 64 位 AXI 接口，支持高吞吐量 DMA 传输
- 4 个通道 PL 端专用
中断与定时器
- 通用中断控制器（GIC）
- 3 x 看门狗定时器

1.2.2 存储器接口

Zynq 存储器接口单元包括动态存储器控制器和静态存储器接口模块。动态内存控制器支持 DDR3、DDR3L、DDR2 和 LPDDR2 内存。静态内存控制器支持 NAND 闪存接口、Quad-SPI 闪存接口、并行数据总线和并行 NOR FLASH 接口。

动态存储器接口
- DDR 控制器提供对 1Gb 地址的访问，可配置为 16-bit 或 32-bit 位宽
- DDR3 支持速率高达 1333Mb/s
- PS 与 PL 可共享 common 存储的访问
- 支持 4 个 AXI 接口：1 个 ARM CPU 专用（通过 L2 Cache 控制器）、2 个 PL 端专用、1 个通过 central interconnect 与主 AXI 接口共享
静态存储器接口
- 8-bit SRAM 数据总线
- 8-bit 并行 NOR FLASH 接口
- ONFi 1.0 NAND flash，支持 1-bit ECC
- 1-bit SPI, 2-bit SPI, 4-bit SPI (quad-SPI), or two quad-SPI (8-bit) 串行 NOR flash

1.2.3 I/O 外设

I/O 外设主要用于数据传输，主要特点如下：

2 个 10/100/1000M 以太网 MAC 接口
- 支持 IEEE Std 802.3 与 IEEE Std 1588 revision 2.0 标准
- Scatter-gather DMA 功能
- 支持外部 PHY 接口
2 个 USB 2.0 OTG 外设，每个外设支持多达 12 个端点
- 支持高速、全速模式
- 支持 Host、Device 与 Ob-The-Go 配置
- 使用 32 位 AHB DMA 主接口和 AHB 从接口
- 提供 8 位 ULPI 外部 PHY 接口
- 符合英特尔 EHCI 标准的 USB 主机控制器寄存器和数据结构
2 个 CAN 总线接口控制器
- 符合 CAN 2.0B 标准
- ISO 118981-1
2 个 SD/SDIO 控制器
- 符合 SD/SDIO 2.0 标准
2 个全双工 SPI 端口
2 个 UART 接口
2 个 IIC 接口
118-bit GPIO

1.2.4 互联块

APU、内存接口单元和 IOP 都通过多层 AMBA AXI 总线互连，包括到 PL 端。互连是非阻塞的，支持多个同时进行的主从传输。

通过互连的流量可以通过互连中的 Quality of Service (QoS) 块进行调节。QoS 主要用于调节 CPU、DMA 控制器和表示 IOP 中主节点的组合实体生成的流量。

1.2.5 CLBs, Slices, and LUTs

Zynq 可编程逻辑块（CLBs）主要特性如下：

6 输入 LUT 结构
每个 CLB 包含 2 个 Slice，每个 Slice 包含 4 个 LUTs，8 个 Flip-Flops
可作为单个 64-bit ROM，或者 2 个具有共用地址的 32bit ROM
25-50% 的 Slice 可作为分布式 64-bit RAM，或者 32-bit/16-bit 移位寄存器

1.2.6 时钟管理单元

Zynq-7000 系列中的每个器件都具有多达 8 个时钟管理模块（CMT），每个模块由一个混合模式时钟组成管理器（MMCM）和一个锁相环（PLL）。

Zynq 时钟管理单元主要特性如下：

高速缓冲器与布线，用于低偏斜的时钟分布
频率综合与相位调节
low-jitter 时钟生成

Zynq-7000 系列提供六种不同类型的时钟缓冲器（BUFG、BUFR、BUFIO、BUFH、BUFMR 和高性能时钟），以满足高扇出、短传播延迟和极低偏移等不同时钟要求。

1.2.7 Block RAM, DSPs

Zynq-7000 系列具有多达 755 个双端口块 RAM，每个 RAM 可存储 36 Kb。每个块 RAM 有两个完全独立的端口，共享存储的数据。

Block RAM 的主要特性如下：

双端口 36 Kb 块 RAM，端口宽度高达 72-bit
可编程 FIFO 逻辑
内置可选纠错电路

Block RAM 每个端口可以配置为 32K × 1、16K × 2、8K × 4、4K × 9（或 8）、2K × 18（或 16）、1K × 36（或 32）或 512 × 72（或 64）。每个块 RAM 可以分为两个完全独立的 18 Kb 块RAM。

Zynq-7000 系列器件每个 DSP Slice 基本上由一个专用的 25×18 位二进制补码乘法器和一个48 位累加器组成，工作频率均高达 741 MHz。DSP 包括一个额外的预加法器，通常用于对称滤波器，可提高密集封装设计中的性能。

1.2.8 Input/Output

Zynq-7000 系列器件的 I/O 数量，随着器件型号和封装类型的不同而变化。每个 I/O 都是可编程的，支持多种 I/O 标准。Zynq-7000 I/O 资源分为 2 种，High Range（HR）与 High Performance（HP）。HR I/O 提供宽电压范围，支持 1.2V ~ 3.3V 电平标准，而 HP I/O 用于高性能工作场景，支持 1.2V ~ 1.8V 电平标准。