Zynq-7000 片上系统开发：从架构到应用 电子书-中文466页
H30-Zynq-7000 片上系统开发：从架构到应用（The_Zynq_Book_ebook_chinese）
The Zynq Book
基于含有 ARM® Cortex®-A9 的 Xilinx® Zynq®-7000
全可编程片上系统的嵌入式处理器
Louise H. Crockett, Ross A. Elliot,
Martin A. Enderwitz, Robert W. Stewart
Jianfeng Lu ( 中文编辑)
Department of Electronic and Electrical Engineering
University of Strathclyde
Glasgow, Scotland, UK
翁恺博士 Dr. K.Weng ( 中文翻译)
浙江大学 （中国）
第一版 ( 中文版 )
前言
两年来，世界各地的学术人士、工业界专家和设计者接触到了使用来自 Xilinx 公司的 Zynq-7000 所有可编程片上系统的开发板。 这些包括 ZedBoard，Zc702，Zc706 等类型的开发板给予了用户史无前例的开发属于自己的片上系统的能力。Zynq SoC 整合了 ARM 双核 cortex-A9 处理器和 Xilinx 7 系列 FPGA 架构，使得它不仅拥有 ASIC在能耗、性能和兼容性方面的优势， 而且具有 FPGA 硬件可编程性的优点。
人们对这类设备需求强劲，这是开创先河的设计，伴随而来的是对文件、培训、辅导和指导书等形式的辅助手段的需求。"The Zynq Book" 作为第一本英文版的相关书籍，包含每个 Zynq 用户必知的重要信息。来自 University of Strathclyde 的团队开展了卓有成效的工作，齐心协力编写了这本综合性书本，满足了其迫切的需求。
这本书从对 Zynq 设备的概述开始；接着阐述了 ZedBoard ；然后迅速转至构建以Zynq 家族为对象的设计所需信息，深度解释了在这些设备上的设计流程和潜在的各种设计选项。由于这是一个既可以软件编程又可以硬件编程的复合设备， 因而该书不仅涉及硬件开发工具，还包含了高级语言综合工具的介绍及其开发流程。尤其着重介绍了 Vivado High Level Synthesis （HLS） ，其生产力优势和与 Cortex-A9 处理器所提供的高级语言模型的协同性显现无疑。连接处理器系统到可编程逻辑或者FPGA 的接口起了举足轻重的作用，本书深入浅出地概述了这些接口并且大致介绍了如何配置它们。最后，对嵌入式软件运行环境的介绍自然是不可或缺的。总结章节则引导读者探究在自己设计的片上系统上运行 Linux 系统的细微差别。
由 University of Strathclyde 领衔编写第一本有关 Zynq 的英文版著作并非偶然。自 2005年以来，Xilinx 公司与英国苏格兰 University of Strathclyde 电子电气工程系合作密切。 Bob Stewart 教授，作为 Xilinx 公司的荣誉教授，在学术、工业领域主导着开发、宣传适用于 Xilinx 所有可编程技术的练习教程。他和他的团队编写出了优秀的教材，造福了来自世界各地成千上万的学生、工程师。这成功的案例无疑展现了 University of Strathclyde 以实为本、以工业为主导的精神和它享有国际声誉的科技机构领导地位。University of Strathclyde 由 John Anderson 教授始建于 1796 年，给世人留下了一个实用的学习的地方。显而易见，这所大学将始终保持为一个实用的学习的地方，并且和 Xilinx 公司在教育、研究方面保持着战略伙伴关系。值得一提的是，在 2013年，University of Strathclyde 被英国一权威机构认证为全英最佳大学，并且在 2014 年，被评为全英最具创业精神大学，对此我们倍感兴奋。
此书的确是 Zynq 新用户的必读之物！
Vidya Rajagopalan
Corporate Vice President of Processing, Systems, Software and Applications (PSSA), Xilinx, Inc.
2014 年六月
作者简介
作者 （原英文版）
Authors (original English edition)...
Louise H. Crockett
Academic Teaching Fellow, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde
Louise’s technical and research interests are in DSP, digital communica- tions, software defined radio, FPGA / SoC based design, and profes- sional education. She teaches at undergraduate and MSc level on HDL, digital design, and FPGAs.
Louise 主要从事 DSP、数字通信、软件定义的无线电、基于FPGA/SoC 的设计和专业教育。她教授本科生、研究生有关HDL、数字电路设计和 FPGA 等课程。
Ross A. Elliot
PhD Researcher, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde
Ross’s research interests are in the areas of multicarrier communications for cognitive radio and efficient filterbank communication systems in the evolving field of TV White Space (TVWS), with a focus on FPGA / SoC based implementations.
Ross 致力于无线电多载波通信领域的探索和基于 FPGA/SoC 在空白电视信号频段 （TVWS）领域的高效滤波通信系统的研究。
Martin A. Enderwitz
PhD Researcher, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde
Martin’s research interests are in digital predistortion implementations with Zynq for use in TV White Space and 4th generation (4G) mobile communications.
Martin 的研究方向是在空白电视信号频段将数字预失真技术在Zynq 上实现和四代 （4G） 手机通信技术。
Robert W. Stewart
Professor, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde
Bob has more than 25 years experience working on FPGA-based design for communications, adaptive DSP, software defined radio, and wireless white space communications. He has consulted extensively to industry in Europe and the US.
Bob 在基于 FPGA 实现通信、自适应 DSP、软件定义的无线电及在空白电视信号频段无线通信等领域有着超过 25 年的工作经验。他是欧洲和美国工业界的资深顾问。
中文版
Chinese Edition
翁恺博士 Kai Weng ( 中文翻译 translator) Lecturer, Dept. of Computer Science, Zhejiang University
Weng Kai got his Ph.D of computer science at Zhejiang University and has been teaching computer courses at ZU. He is the ACM-ICPC Out- standing Coach Award winner in 2010 and brought the ZU team to the world finals first place in 2011. He teaches lots of courses at ZU, from basic programming to computer architecture, and embedded systems. He is quietly active in MOOC and his MOOC courses have been regis- tered with more than 200 000 students.
翁凯博士在浙江大学获得计算机科学博士学位并留校执教计算机相关课程。他是 2010 年 ACM-ICPC Outstanding Coach Award 得主，并带领来自浙江大学的团队在 2011 年摘得世界级桂冠。他在浙江大学教授多门课程，包括基础计算机编程、计算机结构和嵌入式系统等课程。他在 MOOC 学习平台很活跃，他的课程已经被超过 200000 名学生注册。
吕鉴峰博士 Jianfeng Lu ( 中文编辑 editor)
Teaching Associate, Dept. of Electronic & Electrical Engineering, University of Strathclyde
Jianfeng Lu’s research interests are in the area of electrical power engi- neering and renewable technology. He supports the undergraduate articulation programmes between Strathclyde and Chinese partner uni- versities, and also teaches on a number of courses, including regular vis- its to China.
Jianfeng Lu 的研究方向是电气能源工程和可再生能源。他正在帮助 Strathclyde 和中国伙伴大学之间开展本科生合作项目。与此同时，他也教授一些课程并且时常出差中国。
鸣谢
我们在此向那些支持与帮助完成本书 （The Zynq Book）著作以及中文翻译的朋友们，表示最真挚的感谢。
首先，本书的诞生源于 Xilinx 公司高级总监 Patrick Lysaght 的理念 —— 写一部关于 Zynq 的书。之后就立刻展开了本书的创作，并且我们在写作的过程中发现了很多关于 Zynq 的有趣的事情！本书的最终产生并不只因为我们的努力，还有很多一路上给予我们太多帮助的人们。
我们先要感谢 Xilinx 大学计划 （Xilinx University Program） 的欧洲区主要负责人Cathal McCabe—— 没有人比他给予的帮助更多了。他的专业支持起到了至关重要的作用，并且我们感谢他的耐心、真知灼见和专注。若没有 Cathal，这部书也不会如此完美的呈现于大家眼前。
同时，我们衷心地感谢 Xilinx 公司一些同事的付出：Sagheer Ahmad, Brian Gaide, Austin Lesea, Joshua Lu, Duncan Mackay, Daryl Nees, Stephen Neuendorffer, Parimal Patel, Fernando Martinez Vallina, Tim Vanevenhoven 以及 Y.C. Wang—— 他们花时间阅读本书并且给出了具有建设性的意见。他们中的几位甚至还做了辅助练习并分享了他们的反馈意见。谢谢大家 —— 你们的经验给予我们很大的帮助！我们还要感谢 Barrie Mullins 的帮助和支持。
我们在 Strathclyde 大学 （University of Strathclyde）的同事也给予了我们很大的帮助。我们要感谢他们对本书付出的各样努力。他们中的一些同事非常慷慨地拿出时间阅读和检查每一个章节，或是检验辅助练习，并且给予了很多有建设性的反馈意见。非常感谢Douglas Allan, Dani Anderson, Dale Atkinson, Kenneth Barlee, Iain Chalmers, Fraser Coutts, David Crawford, Sam Edwards, Poppy Harvey, Connor Hughes, Sarunas Kalade, Phil Karagiannakis, David Northcote 和 Kenneth Os borne。我们也要感谢所有对"Zynq 聊 " （"Zynq-chat"）作出的贡献，这已经成为我们工作环境的特点。
对于中文译本，我们感谢我们的翻译工作者和联合作者 —— 浙江大学的翁教授和 Strathclyde 大学的 Jianfeng Lu， 以及 Xilinx 公司的 Joshua Lu 对中文译本的管理和支持。我们也要感谢参加 Strathclyde 大学暑期实习的史嘉珵同学，感谢他在最后阶段帮助我们完成书本的编辑工作。
最后而同样重要的是，我们必须感谢我们的家人和朋友 —— 他们情愿地接受我们临近期限时而不能参加社交活动，以及他们给予我们的鼓励。
Louise Crockett, Ross Elliot, Martin Enderwitz, Bob Stewart.
2014 年 6 月，更新于 2016 年 6 月。
1 引言
从书名你应该已经猜到，这是关于 Zynq 的书！这是新一代全面可编程片上系统（All-Programmable System-on-Chip，SoC）的 Zynq [10]，可别误以为是锌 （英文zinc、元素符号 Zn）那个化学元素啊。
其实，这两者之间还是有联系的。有传言说 Xilinx 给他们的新芯片命名为Zynq，是因为它代表了一个可以用在任何地方的处理器元素。Zynq 芯片致力于成为灵活的、能用于各种应用的强有力的平台，就像锌元素可以与各种其他金属混合形成具有各种所需属性的合金一样。
Zynq 的本质特征，是它组合了一个双核 ARM Cortex-A9 处理器 [1] 和一个传统的现场可编程门阵列 （Field Programmable Gate Array，FPGA）逻辑部件。尽管之前也有过捆绑了 FPGA 的专用处理器，但是还没有出现过完全相同的方案。在 Zynq上，ARM Cortex-A9 是一个应用级的处理器， 能运行完整的像 Linux 这样的操作系统，而可编程逻辑是基于 Xilinx 7 系列的 FPGA 架构 [5], [7]。这个架构实现了工业标准的 AXI 接口，在芯片的两个部分之间实现了高带宽、低延迟的连接 [8]。这意味着处理器和逻辑部分各自都可以发挥最佳的用途，而不会有在两个分立的芯片之间的那种接口开销。同时又能获得系统被简化为单一芯片所带来的好处，包括物理尺寸和整体成本的降低。
从本书的厚度就能看出，Zynq 不仅仅是硬件。它引人入胜是因为那些软件开发工具、设计流和专注于标准的集成方法是为基于Zynq的系统设计所量身定制的 [6]。
大家都喜欢能更快地做出更好的设计的工具！本书会介绍认真开始所必需的全部内容，也会给出一些实际的指导训练以引导新用户通过设计流和设计过程的学习。
无论你之前的经验如何，我们都希望你会发现本书内容丰富而且有益。我们特别希望能为新进入这个领域的读者提供容易入门的介绍。
1.1. Zynq 的片上系统
既然我们已经把 Zynq 描述为一个片上系统 （SoC），那么显而易见，第一个问题就会是 “ 什么是 SoC？ ”
你也许知道，这个概念出现已经有一段时间了，潜在的意思是说单个硅芯片就可以用来实现整个系统的功能，而不是需要用几个不同的物理芯片来实现。在过去，SoC 这个术语常用于指专用集成电路 （Application Specific Integrated Circuit，ASIC），它上面可以有数字的、模拟的和射频的元件，和混合信号模块组合起来来实现模拟 - 数字转换和数字 - 模拟转换 （ADC 和 DAC）。单就数字部分而言，一块 SoC 可以组合上数字系统所有的功能：处理、高速逻辑、接口、存储器等等。所有这些功能也可以用物理上分立的器件来实现，然后在印刷电路板 （PCB）的层面上组合起来。SoC 的解决方案成本更低，能在不同的系统单元之间实现更快更安全的数据传输， 具有更高的整体系统速度、更低的功耗、更小的物理尺寸和更好的可靠性。事实上有一大堆无可辩驳的理由来说明 SoC 比等价的分立元件系统要强！可以看一下图 1.1，这是关于板上系统和片上系统的简单图形化比较。
基于 ASIC 的 SoC 的主要缺点有 （一）开发时间和成本，以及 （二）缺乏灵活性。开发 ASIC 时不可重用的工程投入 （及成本）是巨大的， 使得这种 SoC 类型只适合于大批量而且将来不需要升级的市场领域。基于 ASIC 的 SoC 的代表性例子包括在 PC、平板和智能手机上用的集成处理器。这些处理器典型地是由至少两个处理器核、存储器、图形处理器、接口和其他功能模块组合起来的 [4]，而且大批量生产出来用于寿命有限的产品中。
ASIC SoC 的局限性导致它们不适用于很多应用，特别是当快速投入市场能力、灵活性和升级能力已经成为重要的关键因素。对于小批量或中批量的产品，ASIC SoC 也不是好的解决方案。显然对于更灵活的解决方案是有需求的，这就是产生这种可编程芯片上的系统（System-on-Progammable-Chip）—— 一种在可编程、可重新配置的芯片上实现的特有的 SoC—— 的动力所在。一直以来，FPGA 是自然的选择。FPGA 天生就是可以被配置来实现任何系统的灵活芯片，如果需要也可以来实现嵌入式处理器。FPGA 还可以随心所欲地重新配置，和用 ASIC 来实现 SoC 相比，FPGA能构成更为基础灵活的平台。在一个需要系统升级的应用中部署FPGA 几乎就是没有风险的。
现在，Zynq 提供了更理想的用于实现灵活的 SoC 的平台：Xilinx 将其包装成“ 全可编程 SoC （All-Programmable SoC，APSoC） ”,这个词完美地阐述了它的能力。第二章会仔细阐述 Zynq 的架构，在此之前有必要先从图 1.2 看一下架构的高层模型。 从中可以注意到 Zynq 是由两个主要部分组成的：一个由双核 ARM Cortex- A9 构成的处理系统 （PS），和一个等价于一片 FPGA 的可编程逻辑 （PL） 部分。它还具有集成的存储器、各种外设和高速通信接口。
PL 部分用来实现高速逻辑、算术和数据流子系统是很理想的，而 PS 支持软件程序和 / 或操作系统，这就意味着任何被设计的系统的整个功能可以恰当地在硬件和软件之间做出划分。PL 和 PS 之间的链接采用了工业标准的高级可扩展接口
（Advanced eXtensible Interface，AXI）连接方式 [8]。这些功能的更详细的资料会随着本书的展开而呈现。
1.2. 嵌入式SoC的简单剖析
一开始的时候，有必要明确本书所讨论的数字系统类型的基本模型，就是和处理器配合的系统、存储器和外设，包括把各种单元连接在一起的总线。（这些就是硬件系统了，此刻我们先考虑一个非常简化的架构，更详细的会在后续的章节中加入进来）。这个硬件系统的模型如图1.3所示：
处理器可以被看作是硬件系统的中央单元。软件系统（软件“栈”）是运行在处理器上的，由应用程序（通常是基于操作系统的）和一个更低的与硬件系统打交道的软件功能层组成的。系统单元之间的通信是通过互联进行的。这种互联可能是直接的、点对点链接，也可能是服务于多个单元的总线。如果是后者，就需要协议来管理总线访问。注意的是，尽管图1.3所示是有外设连接着的单一总线，但是一个处理器可以具有多个总线连接。
外设是处理器之外的功能部件，一般来说从事三种功能之一：（一）协处理器 ——辅助主处理器的单元，往往是被优化用于特定任务；（二）与外部接口 交互的核心，如连接到LED和开关、编解码器等等；以及（三）额外的存储器单元。本书后面，我们会更详细地讨论外设，而此刻，只要把外设看作是可被设计、测试和集成进系统、还可以被“封装”以重用的分立的功能块。
图1.4给出了把图1.3所示的硬件系统映射到图1.2所描绘的Zynq芯片上的样子。两者的架构都被大大地简化了，因为目前我们的目标只是从高层阐述嵌入式SoC是如何映射在 Zynq 芯片上的。PS 具有固定的架构，承载了处理器和系统存储区，而PL完全是灵活的，给了设计者一面“空白画布”来创建定制的外设，或重用标准外设。互联是通过连接了PS和PL的AXI接口来实现的。
在图1.4的左边也能看到软件系统。软件是放在处理器那里的，也就是这里位于Zynq 的 PS 里的ARM Cortex-A9。软件系统由一连串的软件单元组成的，这个部分也会在本书的后续部分展开阐述。
1.3. 设计重用
一个完整的嵌入式系统的开发是一个巨大的设计任务，在一个像FPGA或Zynq芯片这样的平台上从事设计具有特别的优势，这会使得设计的过程更为直接。底层的PL硬件是结构化了的，而且它的性能特性是熟知的，并集成进了软件开发工具中了。进一步说，有了这样一个稳定、通用的开发平台，就可以做极为广阔的设计重用。知识产权（Intellectual Property，IP）功能模块——就是图1.4中的外设部件——可以从Xilinx的库获得（随着设计工具提供）来源，也可以从之前的项目中重用，或是从第三方或是从开源仓库获得，然后再集成起来形成系统的设计。
Zynq 是一块 SoC，具有大量的标准 IP，这表明这些部件就不再需要重新设计了。以这样的方式提升了抽象层级，加上重用预先测试和验证过的部件，开发就能被加速，而成本就能被降低。就像人们常说的：“为什么要重新发明轮子呢？”。
由于这种做法对于SoC设计哲学的重要性，本书的一个重要的内容就是设计重用。我们会考虑IP的各种来源，包括Xilinx库、产生自己的IP的机制，和第三方IP 来源。当然，仅仅只提及这些模块是不够的——它们还得被集成进系统去，建立起恰当的连接和交互；因此我们还会讨论设计过程中用于IP集成方面的专用的工具和方法。最后，从设计元素的重用和分享角度看，把IP“包装”进工业标准的IP-XACT 格式也将会被提及。这些内容相应地是第十三和第十八章的主题。
1.4. 提升抽象层级
在各种软件和硬件设计过程中都存在的一种递归趋势是提升抽象的层级。动机很明显：如果对于一个清晰的设计输入，设计师用较低的设计需要就能高效地创造出系统来，同时还支持稳健的测试过程，那这一定能大大加速设计的过程。
以 FPGA 和 Zynq 设计来说，高级合成 （High Level Synthesis，HLS）的优势在于设计师可以用比传统的寄存器传输级（Register Transfer Level，RTL）方式少的细节数据来创建系统部件，而且不再需要依赖设计工具根据用户所提供的方向来推断逻辑并在可能的地方做优化。自然地，这样就需要对开发工具有一定程度的信任，工具必须是强壮的，可以产生出可重复的可信赖的设计。为了满足这样的需要，Xilinx 引入了Vivado HLS工具，这是一个专门用于Xilinx芯片的高级合成开 发工具。本书后续章节会介绍Vivado HLS和相关的设计方法。
1.5. SoC 设计流
对于各种复杂程度的SoC设计流，人们提出过多种不同的模型，不过我们首先打算用非常简单的术语来定义SoC开发（应用于Zynq上）的设计流。图1.5所示即为基本的流程。
这里的每一个部分都会在本书后续的章节中展开并非常细致地加以讨论。而现在，简要的定义它们就够了。
自然，和任何设计项目一样，第一个阶段是定义所期望的系统行为，也就是从一系列需求中创建正确的需求规格。这个阶段被描绘在图的顶端作为起点，它形成了后续开发的系统设计的基础。
正如本章早前所提到的，Zynq架构组合了ARM处理器（作为所设计的系统的软件部分）和 FPGA 部分（主要用于系统的硬件部分，不过如果需要的话，也可以在上面实现另一个处理器）。因此，下一个重要的系统设计阶段就是把期望的功能恰当地划分成硬件和软件，并定义两个部分之间的接口。当然，随着设计师逐步完成系统设计，这个划分还是可以被调整的。
划分了系统之后，软件和硬件的开发在很大程度上可以同时进行。就硬件开发而言，任务是标识出实现设计所必须的功能模块，然后通过设计重用和新IP开发的某些组合将这些模块组装起来，并在模块间形成正确的连接。类似的，项目的软件功能可以通过开发定制代码或重用之前已有的软件来实现。软件和硬件都需要被验证，这也成为了开发过程中构成整体所必需的和重要的部分。
最后，系统的硬件和软件部分必须按照规划阶段所定义的接口集成起来，然后来做进一步的“全系统”测试。
第三章会仔细讨论这个设计流，而第十章与第十一章会讨论基于Zynq的SoC设计。
1.6. 实践单元
本书间接形成了一组可以随着正文 做的实践练习。这些练习的详细指导和所有必需的资源文件在伙伴网站上，书上则有每个练习的简要概述，阐述了练习的目的和关键的要点。网站上的详细指导的更新和书是异步的，这样就能保持和Xilinx开发工具最新版本的兼容。
这些练习可以借助于Xilinx Vivado设计套件（Xilinx Vivado Design Suite，免费的WebPACK® 或更高版本 [9]）在基于 Zynq 的 ZedBoard[11] 来做。如果你愿意，也可以在其他板子上按照实验指导来做。要是你已经有了功能更完整的Xilinx的嵌入式（Embedded）版或系统（System）版的Vivado 的话，这些版本能提供增强的功能，不过WebPACK已经提供了足以用于起步阶段学习的功能。
图 1.6 所示是 ZedBoard，这是 Zynq 开发板的一个不错的具有代表性的例子[11]。现存的几种 Zynq 板子，就像这块一样，大多数都实现了多种外设接口和插槽，包括以太网、音频和视频。支持这些功能的可用的IP模块和参考设计能够相对较快也较简单地创建第一个交互设计。第三章介绍了如何选择Zynq板子，ZedBoard的进一步的细节描述在第六章。
1.7. 关于本书
对于如何使用Zynq APSoC，本书既给出了描述性的说明，也给出了操作性的指导。大多数的章节都是标准章节（“用于读”），同时也有另外一些章节是和实践练习有关的（“用于做”）。在本书中，我们给出了每个实践环节的简短概述，而详细的指导与资源文件则是由伙伴网站来提供的[12]。这样做是为了能更方便获取资源，同时保证详细的与具体工具相关的指导能随时反映Xilinx软件开发工具的版本更新，从而与本书的内容是异步的。
本书接下去的部分被组织成三个部分，相关的章节如下：
第一部分 给出了Zynq芯片的介绍性信息，它相关的工具流，以及ZedBoard。此外，还要拿Zynq和其他芯片做比较，并探究了一些应用作品。第一部分还包括了专门介绍如何在研究、大学教学和社会化培训机构中用上Zynq和相关的SoC概念的章节。
第二部分 是关于使用zynq进行Xilinx SoC开发的相关方面问题的深度解析，包括嵌入式系统设计的概念、IP块的创建与集成，以及软硬件协同设计。其中还有一个特殊的“亮点”章节，专注于正在增长中的用于IP快速开发的HLS的重要领域。
第三部分 是关于 Zynq SoC 开发的操作系统的，回顾和讨论了应用程序、动机、交易、操作系统和产品特性。这里也进一步地深入探讨了在Zynq上部署Linux的问题，如何把Linux与基于PL的部分组合起来来形成一个嵌入式系统。本书最后也给出了术语表和缩写表。书中用到了大量的术语和缩写，这两张表 应该是有用的参考。
接下去的第二章，我们会更为详细地介绍Zynq芯片架构。
详细内容请见附件
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