嵌入式系统软硬件协同设计实战指南

章节摘录

版权页：   插图：   第11章PL和PS的接口技术详解 Zynq作为首款将高性能ARM Cortex A系列处理器与高性能FPGA在单芯片内紧密结合的产品，与其他独立ARM Cortex A9与Xilinx FPGA在单板上相比，其可以具有如下优点：设计成本降低；设计整体功耗降低；设计体积减小；设计风险降低；设计更灵活。为了实现这些优点，xilinx在设计Zynq时不仅要将不同工艺特征的处理器和FPGA融合在一个芯片上并保证其良品率，更要设计高效的片内高性能处理器与FPGA之间互联通路。如果ARM Cortex A9与FPGA之间数据交互成了瓶颈，那么处理器与FPGA的性能优势都不能发挥出来，其他的优势也就无从谈起了。 因此，如何设计高效的PL与PS数据交互通路是zynq芯片设计的重中之重，也是产品成败的关键之一。本章我们将主要介绍PL和PS的连接，揭示PL和PS之间的接口技术细节。 11.1 PL和PS的接口 在第5章中，我们已经初步介绍了Zynq器件上的系统级信号，其中也包括了PL和PS的接口信号，PL与PS的接口主要有两种类型： 口功能接口。包括AXl、EMl0、中断、DMA流控制、时钟和调试接口。在FPGA开发人员设计PL模块的时候，就可以使用这些接口的信号，从而和PS进行数据交互。不同的信号接口用途不一样，应按需求使用。 口配置接口。包括PCAP、SEU、配置状态信号和Program／Done／Init信号接口。这些信号的接口连接到PL内配置模块的固定逻辑上，给PS提供对PL的控制能力。 对于硬件设计而言接触到的主要是AXl、EMl0、DMA、PCAP等接口，这些接口在第5章中我们已经都提过了。EMl0是Zynq提供的一种对Ml0进行扩展的机制。其实就是将Ml0放不下的PS外设接口，在PL上连接到外部引脚。当然，PL里的逻辑也能访问到这些“连接”，这些“连接”也可以访问PL的逻辑。如果将PL内的逻辑模块看作是系统外部的设备，也就是不需要通过总线和PS通信的设备，那么我们可以考虑使用EMIO接口和这种逻辑模块通信。PCAP是配置模块接口，在后续实验中我们也会用到。

内容概要

陆佳华，开源硬件社区Openhw.org资深版主，Xilinx高级应用工程师，现任职于Xilinx全球大学计划部，主要负责Xilinx全球大学相关的参考设计开发，技术推广、支持。陆佳华2006年毕业于西安交通大学并获得硕士学位。2006年加入Xilinx公司后任产品应用工程师，主要负责FPGA上的嵌入式系统设计，以太网设计，内存控制器设计等方向技术支持。陆佳华著有《零存整取-NetFPGA开发指南》一书。

江舟，开源硬件社区Openhw.org的资深版主，浙江大学硕士研究生，现为Xilinx全球大学计划部实习生，主要参与Zynq上的软件开发。江舟是美信DIY大赛的主要技术支持者之一，并担任Xilinx开源硬件大赛的技术支持。

马岷，开源硬件社区Openhw.org的资深版主，浙江大学硕士研究生，现为Xilinx全球大学计划部实习生，主要参与Zynq上的硬件开发。马岷是美信DIY大赛的主要技术支持者之一，并担任Xilinx开源硬件大赛的技术支持。

书籍目录

Foreword

前言

第一部分　基础篇

第1章　初试ZedBoard/2

1.1　GPIO LED动手玩/2

1.1.1　拷贝SD卡/2

1.1.2　跳线与外设连接/2

1.1.3　演示操作/2

1.2　Linaro Ubuntu动手玩/3

1.2.1　SD卡分区/3

1.2.2　文件拷贝（FAT/EXT）/6

1.2.3　外设连接/6

1.2.4　可演示的效果/7

第2章　Zynq平台介绍/9

2.1　7系列FPGA简介/9

2.2　Zynq-7000 AP SoC体系简介/12

第3章　ZedBoard开发环境/15

3.1　ZedBoard的板载外设/15

3.1.1　LED/15

3.1.2　按键/16

3.1.3　开关/16

3.1.4　OLED/17

3.1.5　USB接口/18

3.1.6　音频接口/20

3.1.7　VGA接口/21

3.1.8　HDMI接口/22

3.1.9　10/100/1000兆网口/23

3.2　ZedBoard的扩展外设/25

3.2.1　外扩PMod插座/25

3.2.2　外扩FMC插槽/27

3.2.3　外扩AMS插座/28

第4章　开发工具链/29

4.1　可编程逻辑开发工具链/29

4.1.1　PlanAhead/29

4.1.2　Xilinx Platform Studio/31

4.2　软件开发工具链/34

4.2.1　Xilinx Software Development Kit/34

4.2.2　交叉编译工具链/35

4.3　软硬件调试工具/36

4.3.1　ChipScope Pro/36

4.3.2　GDB与GDBserver/38

第5章　Zynq体系结构/40

5.1　应用处理器单元（APU）/40

5.1.1　ARM Cortex A9处理器/40

5.1.2　侦听控制单元（SCU）/43

5.1.3　L2高速缓存/44

5.1.4　APU接口/44

5.2　通用外设/46

5.2.1　通用IO（GPIO）/46

5.2.2　SPI接口/49

5.2.3　UART接口/51

5.2.4　计时器/54

5.2.5　USB控制器/57

5.2.6　DDR控制器/58

5.3　数字逻辑设计/59

5.3.1　可编程逻辑“外设”（PL）/59

5.3.2　XADC/61

5.3.3　PCIe/62

5.4　MIO/EMIO/63

第6章　系统级信号/66

6.1　电源管理/66

6.2　Clock信号/67

6.2.1　CPU时钟域/68

6.2.2　DDR时钟域/69

6.2.3　基本的时钟分支结构/69

6.2.4　I/O外设（IOP）时钟/70

6.2.5　PL时钟/72

6.2.6　其他时钟/72

6.3　复位系统/73

6.4　JTAG/75

6.5　中断处理/76

第7章　Zynq启动与配置/78

7.1　Zynq启动过程简介/78

7.2　外部启动条件/79

7.2.1　电源要求/79

7.2.2　时钟要求/79

7.2.3　复位要求/79

7.2.4　启动引脚设置/80

7.3　BootROM/80

7.3.1　BootROM的作用/80

7.3.2　BootROM的特点/81

7.3.3　BootROM后的状态/82

7.4　FSBL/82

7.5　SSBL/84

7.6　Linux启动过程/84

7.7　Secure Boot/86

第8章　面向软件工程师的逻辑设计/87

8.1　FPGA硬件加速原理/87

8.1.1　以空间换时间/87

8.1.2　以存储器换门电路/89

8.1.3　以IP集成换生产力/90

8.2　部分动态可重配置于Zynq/93

第9章　ZedBoard入门/95

9.1　UART和GPIO控制/95

9.1.1　UART和GPIO接口/95

9.1.2　硬件设计过程/96

9.1.3　软件设计过程/106

9.2　硬件/软件调试方法/112

9.2.1　ChipScope IP Core/112

9.2.2　SDK Gdb使用/115

9.3　搭建你的单板计算机（Single Board Computer)/117

9.3.1　搭建系统环境/118

9.3.2　准备工作/118

第二部分　进阶篇

第10章　基于虚拟平台的Zynq开发/126

10.1　QEMU介绍/126

10.2　编译QEMU源码/126

10.2.1　下载QEMU源码/126

10.2.2　配置QEMU/127

10.2.3　QEMU所依赖的库文件/127

10.2.4　编译QEMU/127

10.3　启动QEMU/127

10.4　QEMU中的嵌入式Linux/128

10.5　商业版虚拟平台/131

第11章　PL和PS的接口技术详解/132

11.1　PL和PS的接口/132

11.1.1　AXI接口简介/133

11.1.2　AXI Interconnect/134

11.2　Zynq的内部连接/137

11.2.1　AXI_HP/139

11.2.2　AXI_GP/140

11.2.3　AXI_ACP/140

11.3　PL和存储器系统性能概述/142

11.3.1　接口理论带宽/142

11.3.2　DDR控制器的吞吐率及其效率/143

11.3.3　内部互连吞吐量瓶颈/143

11.3.4　如何选择PL的接口/144

第12章　基于Zynq的软硬件协同设计/149

12.1　多核处理器架构简介/149

12.1.1　什么是多核处理器/149

12.1.2　多核处理器发展的动机和优势/150

12.1.3　同构、异构多核架构的优点和挑战/152

12.2　软硬件协同设计方法论/152

12.2.1　什么是软硬件协同设计/152

12.2.2　软硬件协同设计发展的动机和优势/152

12.2.3　软硬件协同设计的基本流程/153

12.2.4　基于Xilinx工具的软硬件协同设计简介/154

12.3　高层次综合/154

12.3.1　高层次综合综述/154

12.3.2　高层次综合发展的动机与优势/155

12.3.3　Xilinx AutoESL工具简介/156

12.4　基于Xilinx Zynq的软硬件协同设计实例/157

12.4.1　功能简介/157

12.4.2　设计流程简介/157

12.4.3　实验结果与验证/165

第13章　Zynq开发实战/166

13.1　用户IP设计/166

13.1.1　用户IPcore介绍/166

13.1.2　用户IPcore设计/167

13.2　嵌入式Linux设备驱动开发/180

13.2.1　设备驱动开发介绍/180

13.2.2　驱动程序的加载与卸载/181

13.2.3　sys文件系统简介/181

13.2.4　PWM模块驱动程序/182

13.2.5　PWM驱动程序编译与测试/184

13.3　构建嵌入式Linux系统/186

13.3.1　搭建系统环境/186

13.3.2　编译u-boot/186

13.3.3　编译内核与设备树/187

13.3.4　制作根文件系统/188

13.3.5　启动嵌入式Linux/192

13.4　HDMI设计/193

13.4.1　HDMI传输原理/193

13.4.2　ADV7511芯片的相关控制信号/195

13.4.3　设计过程/198

13.5　OpenCV移植/203

13.5.1　开发环境准备/203

13.5.2　配置cmake/203

13.5.3　OpenCV编译与安装/205

13.5.4　OpenCV移植与ZedBoard测试/206

13.6　基于OpenCV的树叶识别系统/207

13.6.1　项目总览/208

13.6.2　图像采集/208

13.6.3　预处理/209

13.6.4　特征提取/211

13.6.5　分类决策/216

13.6.6　总结/219

13.7　基于OpenCV的人脸识别系统/220

13.7.1　系统综述/220

13.7.2　基于Haar特征和Adaboost算法的人脸检测/220

13.7.3　系统设计与实现/222

13.7.4　总结/226

13.8　嵌入式Web服务器的移植与搭建/226

13.8.1　嵌入式Web服务器介绍/226

13.8.2　Boa服务器移植与配置/228

13.8.3　Boa服务器部署与测试/230

13.9　嵌入式网络摄像机的移植与搭建/233

13.9.1　嵌入式网络摄像机/233

13.9.2　mjpg-streamer的移植与架设/234

13.10　FreeRTOS实时操作系统的应用/238

13.10.1　FreeRTOS介绍/238

13.10.2　FreeRTOS与ucOS-Ⅱ的比较/239

13.10.3　FreeRTOS在Zynq上的应用实例与分析/239

13.10.4　基于FreeRTOS的Lwip/250

13.11　XADC的使用/250

13.11.1　建立硬件工程/252

13.11.2　软件工程设计/253

13.11.3　程序分析/255

13.12　基于Zynq的部分可重配置/256

13.12.1　可重配置系统介绍/256

13.12.2　可重配置的开发流程/257

13.12.3　小结/265

13.13　在Zynq上搭建Android简介/265

第14章　系统级设计案例/266

14.1　电机控制系统/266

14.1.1　双闭环控制器理论/266

14.1.2　双闭环系统/267

14.1.3　双闭环控制IP核说明/272

14.1.4　硬件实现过程/275

14.1.5　软件实现过程/285

14.1.6　硬件平台测试/286

14.2　智能家庭健康平台/287

14.2.1　智能家庭健康平台简介/287

14.2.2　EKG AFE模块硬件设计/287

14.2.3　Night EKG Controller IP设计/292

14.2.4　建立可运行Linux的完整系统/295

14.2.5　Night EKG Controller的Linux驱动设计/297

14.2.6　基于Qt的图形用户界面设计/299

14.2.7　在ZedBoard上运行Qt程序/308

14.2.8　实现软件开机自动运行/310

14.3　高性能视频处理系统设计/311

14.3.1　系统架构/312

14.3.2　硬件架构设计/313

14.3.3　软件架构设计/316

14.3.4　利用Vivado HLS实现Sobel滤波硬件/318

14.3.5　使系统在ZedBoard上运行/320

14.4　智能小车系统开发/320

14.4.1　智能小车系统结构/320

14.4.2　运动控制设计/323

14.4.3　Linux系统应用程序设计/326

14.4.4　智能小车平台的后续拓展/333

第15章　如何获取资料和帮助/334

15.1　如何获取Xilinx的技术文档/334

15.1.1　DocNav介绍/334

15.1.2　DocNav使用案例/334

15.2　如何找到Zynq开发资料/336

15.2.1　如何获取本书的最新例程/336

15.2.2　如何获取Zynq开发资料/337

15.2.3　如何获取ZedBoard文档与例程/337

15.3　Xilinx网站资源导读/338

15.3.1　序/338

15.3.2　Xilinx软件介绍/338

15.3.3　软件版本和软件更新/340

15.3.4　软件教程/341

15.3.5　硬件资料/343

15.3.6　参考资源/343

15.3.7　问题解决/344

附录A　Xilinx开发套件版本14.1到14.3的主要升级变化/346

参考资料/353

编辑推荐

《嵌入式系统软硬件协同设计实战指南:基于Xilinx Zynq》可作为Zynq初学者、软硬件协同设计开发人员的参考用书，亦可作为大专院校嵌入式系统设计、片上系统设计、可编程逻辑器件等相关专业的教师和学生参考用书。

作者简介

本书由浅入深，由基础知识到实战案例向读者系统阐述了如何利用Zynq平台进行嵌入式系统以及软硬件协同设计的开发。本书分为基础篇与进阶篇两部分，基础篇中介绍了Zynq器件、ZedBoard，并配有简单入门实验，同时针对软件开发人员增设了FPGA硬件加速等内容。在进阶篇中介绍了利用Zynq进行软硬件协同设计，同时对处理器与可编程逻辑接口等技术进行了详细剖析。本书提供了20个详细的设计案例，涵盖了硬件板卡、FPGA逻辑、Linux驱动、Linux操作系统、上层应用、软硬件协同设计等Zynq开发中可能遇到的各个方面的知识，并在最后将前述独立案例整合为4个系统案例。本书重点突出实战，以案例为指导，配合介绍相关参考文档，协助读者尽快掌握在Zynq上进行各项设计的方法。

本书可作为Zynq初学者、软硬件协同设计开发人员的参考用书，亦可作为大专院校嵌入式系统设计、片上系统设计、可编程逻辑器件等相关专业的教师和学生的参考用书。

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