從零開始學ZYNQ(FPGA)筆記二 | 認識學習內容

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1. 認識FPGA

什么是FPGA

FPGA的編程過程

?2. 認識ARM

什么是ARM

ARM與FPGA的區(qū)別

ARM與Linux

3. 認識ZYNQ

ZYNQ與FPGA的區(qū)別

ZYNQ的"ARM"和"FPGA"

關于PL

關于PS

4. 學習用板載資源

5. 總結

1. 認識FPGA

什么是FPGA

????????FPGA是一種集成電路，它可以在制造后由客戶或設計者根據(jù)需要配置電路功能。FPGA的內部由可編程邏輯、專用功能塊和可編程互連組成。FPGA的結構可以根據(jù)不同的廠商和型號有所差異，但一般包括以下幾種主要元素：

可配置邏輯塊（CLB）：是FPGA的基本單元，可以實現(xiàn)任意的邏輯功能。每個CLB由一些查找表（LUT）、觸發(fā)器、多路復用器等組成；
數(shù)字信號處理（DSP）塊：是FPGA的專用功能塊之一，可以高效地實現(xiàn)數(shù)字信號處理的功能，如濾波、乘法、累加等；
收發(fā)器（Transceiver）：是FPGA的專用功能塊之一，可以實現(xiàn)高速的串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，支持多種協(xié)議和標準；
塊隨機存取存儲器（BRAM）：是FPGA的專用功能塊之一，可以提供片上的存儲空間，支持多種訪問模式和配置方式；
可編程互連：是FPGA的重要組成部分，可以實現(xiàn)不同的CLB和功能塊之間的連接和通信，支持多種拓撲結構和路由算法；

FPGA的應用領域非常廣泛，主要包括以下幾類：

通信和網(wǎng)絡：FPGA可以實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能，支持多種通信協(xié)議和標準，如5G、WiFi、Ethernet等；
數(shù)據(jù)中心和云計算：FPGA可以實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)加密和壓縮功能，支持多種云服務和平臺，如AWS、Azure等；
人工智能和機器學習：FPGA可以實現(xiàn)高性能的神經(jīng)網(wǎng)絡和深度學習功能，支持多種模型和算法，如CNN、RNN等；
嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)：FPGA可以實現(xiàn)低功耗的智能控制和傳感功能，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如Linux、MQTT等；
數(shù)字信號處理和圖像處理：FPGA可以實現(xiàn)高精度的信號采集和分析功能，支持多種信號處理和圖像處理算法，如FFT、DCT、OpenCV等；
工業(yè)控制和汽車電子：FPGA可以實現(xiàn)高可靠的工業(yè)控制和汽車電子功能，支持多種工業(yè)總線和汽車標準，如CAN、FlexRay等；

????????學習FPGA可以提高自己的硬件設計能力和創(chuàng)新能力，可以實現(xiàn)自己的想法和算法，可以解決實際的問題和挑戰(zhàn)，可以參與到前沿的技術和項目中；?

FPGA的編程過程

????????FPGA編程通過使用硬件描述語言（HDL）或其他工具來定義和配置FPGA上的邏輯電路。FPGA編程的主要步驟包括：

硬件架構設計：確定FPGA的輸入輸出接口，時鐘頻率，資源利用率等；
設計：使用HDL（如VHDL或Verilog）或其他工具（如MATLAB或Simulink）來描述硬件邏輯，實現(xiàn)算法功能；
驗證：使用仿真或測試平臺來檢查設計是否符合預期，是否存在錯誤或缺陷；
綜合：將HDL代碼轉換為適合FPGA的邏輯門電路，優(yōu)化性能和資源消耗；
集成：將設計與FPGA的固有資源（如引腳，時鐘，ADC等）以及外部設備（如內存，傳感器等）進行連接和配置；
實現(xiàn)：將綜合后的邏輯門電路映射到FPGA的物理資源上，并進行布局和布線，生成可以下載到FPGA的比特流文件；
實驗測試和調試：將比特流文件下載到FPGA上，并使用真實或測試輸入來運行和觀察結果，發(fā)現(xiàn)并解決問題；

?2. 認識ARM

什么是ARM

????????ARM（Acorn RISC Machine）是一家英國的半導體公司，它設計和授權處理器IP，提供了多種性能、功耗和成本需求的處理器。ARM的處理器包括：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

Cortex-A系列：面向性能密集型系統(tǒng)的應用處理器內核；
Cortex-R系列：面向實時應用的高性能內核；
Cortex-M系列：面向各類嵌入式應用的微控制器內核；
Neoverse：滿足大型互聯(lián)網(wǎng)和 HPC高性能計算應用需求的高性能內核；
Ethos：專門用于加速人工智能和機器學習的神經(jīng)處理器內核；
SecurCore：基于Cortex-M3核的高安全性微控制器內核；

????????ARM的處理器廣泛應用于智能手機、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設備、云計算、汽車電子、嵌入式系統(tǒng)等領域；

ARM與FPGA的區(qū)別

????????ARM與FPGA的區(qū)別主要有以下幾點：

ARM的功能主要是執(zhí)行軟件指令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、事務管理、界面顯示、應用程序等功能，它可以運行多種操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境，也可以調用多種現(xiàn)成的硬件資源；
FPGA的功能主要是實現(xiàn)硬件邏輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加速、并行處理、信號處理、圖像處理等功能，它可以根據(jù)不同的需求和設計來配置電路功能，也可以通過添加軟核或硬核來實現(xiàn)處理器功能；
ARM和FPGA的功能可以相互補充，也可以相互競爭，取決于具體的應用場景和性能要求。一般來說，ARM更適合控制類的應用，而FPGA更適合計算類的應用；
ARM與Linux

????????Linux是一種開源的操作系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的需求和環(huán)境來定制和優(yōu)化，具有靈活性高、兼容性強、穩(wěn)定性好等特點，適用于多種應用場景，如嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)設備、數(shù)據(jù)中心等。在ARM上運行Linux可以充分利用ARM的處理能力和節(jié)能特性，可以提高系統(tǒng)的性能和效率，可以降低系統(tǒng)的成本和功耗，可以增加系統(tǒng)的功能和可擴展性；

????????在ARM上運行的Linux系統(tǒng)有很多種，例如：

Arch Linux ARM：基于Arch Linux的分支，提供了一個輕量級、靈活、可定制的Linux系統(tǒng)，支持多種ARM設備；
Debian ARM：基于Debian的分支，提供了一個穩(wěn)定、成熟、兼容的Linux系統(tǒng)，支持多種ARM設備；
Armbian：基于Debian或Ubuntu的分支，專門為ARM開發(fā)板定制的Linux系統(tǒng)，提供了優(yōu)化的性能和穩(wěn)定性；
Linux Mint Debian Edition (LMDE)：基于Debian Testing的分支，提供了一個友好、美觀、功能豐富的Linux系統(tǒng)，支持多種ARM設備；
Manjaro ARM：基于Manjaro的分支，提供了一個快速、現(xiàn)代、易用的Linux系統(tǒng)，支持多種ARM設備；
Ubuntu Server ARM：基于Ubuntu Server的分支，提供了一個適用于云計算和邊緣計算的Linux系統(tǒng)，支持多種ARM服務器設備；

3. 認識ZYNQ

ZYNQ與FPGA的區(qū)別

? ? ? ? ZYNQ（zynq-7000 All Programmable SoC）是Xilinx推出的新一代全新可編程片上系統(tǒng)，在傳統(tǒng)FPGA芯片的基礎上集成了1-2個ARM處理器，同時具備了軟件可編程和硬件可編程的特性，將ARM的控制能力和FPGA的計算性能完美結合，提供無與倫比的系統(tǒng)性能、靈活性和可擴展性；

????????ZYNQ與FPGA的區(qū)別主要有以下幾點：

ZYNQ相比FPGA，具有更強的處理能力和靈活性，可以利用ARM處理器實現(xiàn)復雜的軟件功能和控制邏輯，也可以利用可編程邏輯實現(xiàn)硬件加速和算法優(yōu)化；
FPGA相比ZYNQ，具有更高的自由度和定制性，可以根據(jù)不同的需求和設計來配置電路功能，也可以通過添加軟核或硬核來實現(xiàn)處理器功能；

????????除此之外，ZYNQ內部ARM部分和FPGA部分的完美結合，是普通FPGA無法做到的；

ZYNQ的"ARM"和"FPGA"

????????ZYNQ具備ARM Cortex-A9內核和28nm Artix 7?FPGA結構，在ZYNQ片內被稱為PS和PL：

PS（Processing System）是指處理系統(tǒng)，它包括雙核ARM Cortex-A9處理器和一系列的片上外設，如內存控制器、DMA控制器、USB控制器、以太網(wǎng)控制器等；
PL（Programmable Logic）是指可編程邏輯，它包括基于Artix-7或Kintex-7的可編程邏輯單元，如可配置邏輯塊、DSP塊、BRAM塊等；
ZYNQ的PS和PL之間通過多種AXI接口進行連接和通信，可以實現(xiàn)軟硬件協(xié)同設計，提高系統(tǒng)的性能和靈活性；

? ? ? ? PL和PS雖是ZYNQ片內的兩個主要部分，但二者既可以協(xié)同工作，又可以獨立工作；

關于PL

? ? ? ? 了解PL首先要了解什么是PLD，早期生產的數(shù)字集成電路邏輯功能都是固定不變的。要想改變它的邏輯功能，就必須改變內部各單元電路之間的連接，而這種連接在集成電路制作過程中已經(jīng)固定下來了。

? ? ? ? 為了提高靈活性，出現(xiàn)了允許用戶自行修改內部連接的集成電路：可編程邏輯器件PLD（Programmable Logic Device）

PLD內部的電路結構可以通過寫入編程數(shù)據(jù)來設置；
寫入PLD的編程數(shù)據(jù)還可以擦除重寫；

????????FPGA是一種PLD，除FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）外，CPLD（復雜可編程邏輯器件）也屬于PLD，二者的本質區(qū)別是：

CPLD：基于“乘積項”的與或邏輯陣列；
FPGA：基于“查找表”（LUT，Look UP Table）的CLB陣列；

????????PL與FPGA的結構相同

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圖1 FPGA架構

????????FPGA的架構是指FPGA內部的組成和連接方式，它決定了FPGA的功能和性能。根據(jù)圖1，F(xiàn)PGA的基本架構包括以下幾個部分：

可編程IO單元（I/O）：這些物理端口將數(shù)據(jù)輸入和輸出FPGA，可以根據(jù)不同的信號標準和電壓水平進行配置；
可編程邏輯單元（LC）：這些是執(zhí)行邏輯運算的基本單元，通常由查找表（LUT）、觸發(fā)器（FF）和多路復用器等組成。LUT可以存儲任意的邏輯函數(shù)，F(xiàn)F可以存儲LUT的結果。不同的FPGA有不同數(shù)量和類型的輸入的LUT，如輸入LUT、輸入LUT等；
布線資源：這些是將各種元件彼此連接的導線和開關，可以實現(xiàn)不同的信號路徑。布線資源的數(shù)量和質量影響了FPGA的邏輯密度和時序性能。
嵌入式塊式 RAM（BRAM）：這些是用于存儲數(shù)據(jù)的內存模塊，可以配置為不同的位寬和深度，也可以級聯(lián)成更大的內存空間。BRAM可以提供高速、低功耗、低延遲的數(shù)據(jù)訪問。
數(shù)字時鐘管理模塊（CMT）：這些是用于產生、分配和調整時鐘信號的模塊，包括相位鎖定環(huán)（PLL）、延遲鎖定環(huán)（DLL）、時鐘緩沖器等。CMT可以提供多種頻率和相位的時鐘信號，實現(xiàn)時鐘域之間的轉換和同步。
內嵌專用硬核：這些是用于實現(xiàn)特定功能的硬件模塊，如乘法器、累加器、DSP切片、PCI Express接口等。內嵌專用硬核可以提高FPGA的計算能力和接口兼容性，降低邏輯資源和功耗的消耗。
底層內嵌功能單元：這些是用于實現(xiàn)一些底層功能的單元，如配置邏輯、JTAG接口、電源管理等。底層內嵌功能單元可以保證FPGA的正常工作和可靠性。

????????ZYNQ系列的PL結構如圖2所示，可以與FPGA的結構進行對照；

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?圖2 ZYNQ的PL結構

????????ZYNQ7010和7020都使用了Artix-7的結構，可以看到，除了基本的結構，ZYNQ系列的PL還具備了如GTX transceiver和PCIE等獨特結構，但ZYNQ7010和7020不包含這些結構；

關于PS

PL與PS在片內的結構如圖3所示，可以看到兩個結構基本是分開的

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?圖3 PL和PS的片內結構

PS最重要的部分是圖3中的應用處理單元APU（Application Processing Unit），如圖4所示 zynq 和fpga區(qū)別,從零開始學FPGA,fpga開發(fā),筆記

?圖4 APU結構

????????可以看到，APU內部不僅有Cortex-A9內核，還包含了FPU浮點運算單元，NEON SIMD (Single Instruction Multiple Data 單指令多重數(shù)據(jù))?指令集，MMU存儲管理單元，一級cache（I代表指令cache，D代表數(shù)據(jù)cache），窺探控制單元SCU（Snoop Controller），私有看門狗AWDT，定時器TIMER，二級cache（雙核公用），片上內存OCM，中斷控制器GIC，直接存儲器訪問DMA等；

? ? ? ? PS內部APU外部，結合圖片分析，就可以理解APU與外部的連接方式，比較重要的是Central interconnect模塊，負責控制APU與各模塊之間的連接，除控制通信接口，還包含了對動態(tài)存儲器訪問（DDR3）和靜態(tài)存儲器（QSPI Flash）訪問；

? ? ? ? PS連接外部，結合圖片分析，PS與PL的連接，GP接口（General-Purpose Port），HP接口（High-Performance Ports）和ACP（Accelerator Coherency Port）都屬于AXI片內通信協(xié)議，圖5描述了GP接口和ACP的結構

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圖5 GP接口的結構?

? ? ? ? 由圖5看出，ACP用于訪問SCU實現(xiàn)PL和PS二級cache與SRAM的高速存取，GP接口用于通用的PL和PS通信，并且區(qū)分M（Master）和S（Slave）通信機制，HP接口用于高速通信，并且通信自帶FIFO，連接在存儲仲裁器（memory interconnect），可用于訪問DDR3，適合大量數(shù)據(jù)流傳輸；

接口名稱	接口描述	主設備	從設備
M_AXI_GP0	通用接口（AXI_GP）	PS	PL
M_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PS	PL
S_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PL	PS
S_AXI_GP1	通用接口（AXI_GP）	PL	PS
M_AXI_ACP	ACP 緩存（cache）一致性傳輸	PL	PS
M_AXI_HP1	帶有讀寫FIFO的高速接口（需要注意HP有時被稱為AXI FIFO interface[AXI FIFO接口]，或者AFIs）	PL	PS
M_AXI_HP1		PL	PS
S_AXI_HP1		PL	PS
S_AXI_HP1		PL	PS

? ? ? ? AXI是高級微控制器總線架構（AMBA3.0/4.0）的一部分，全稱高級擴展接口（Advanced Extensible Interface），ZYNQ使用的是AMBA4.0標準中的AXI-4，分為memory map，stream和lite三種，如圖6所示；

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圖6? AMBA與AXI?

????????除了AXI接口之外，還包含了IO拓展EMIO，XADC（來自PL硬核），DMA，IRQ，AEX/SHA配置（此配置用于PS配置PL的啟動，代表了PS和PL不是完全獨立的，ZYNQ整個設計是以ARM處理器為中心的，PS端的ARM內核可以獨立于PL端運行，值得注意的是，雖然PL端也可以獨立于PS端運行，但是PL的配置是由PS端完成的，所以不能采用傳統(tǒng)的固化FLASH的方式固化PL端程序）等連接；