FPGA_ZYNQ （PS端）开发流程（Xilinx软件工具介绍）

【前言】

1.1?Xilinx Zynq SoC 系列

????????针对不同的应用领域，Xilinx 公司设计开发了各种逻辑资源规模和集成各 种外设功能的Zynq SOC器件，包括专为成本优化的Zynq-7000平台，面向高性 能实时计算应用领域的 Zynq UltraScale+ MPSoC，面向射频通信的 ZynqUltraScale+ RFSoC，以及具备高度可扩展特性的自适应加速平台ACAP。 具体相关知识大家可以下去查询。

1.2 Xilinx Zynq-7000 SoC介绍

????????Zynq-7000 系列是赛灵思公司推出的一系列全可编程片上系统，基于 Xilinx SoC 架构。这些产品在单个设备上集成了功能丰富的双核 ARM CortexTM-A9 MPCore 处理系统(PS)和 Xilinx 可编程逻辑(PL)，实现了灵活性，可配置性和性 能的完美结合。双核ARM Cortex-A9 MPCore 处理器是PS的核心，它还包括片 内存储器、外部存储器接口和一组丰富的I/O外设。Zynq-7000系列通过将ARM CPU和外设集成在一个芯片内，使得其兼具处理器和FPGA的双重特性。 作为 SoC FPGA 家族中功耗和成本最具优势的系列，掌握 Zynq 7000 SoC FPGA的开发方法，不仅可以熟悉整个SoC FPGA系列器件的开发流程，还可以学有所用。

【开发目标】

按键控制LED

????????GPIO（General Purpose I/O）,通用输入输出，是ZYNQ的外设之一。GPIO 包括MIO 与EMIO，是 ZYNQ 上最常用的硬件资源。MIO分配在GPIO的Bank0和 Bank1,属于ZYNQ的PS部分, 而EMIO也是PS上GPIO的一部分，但连接到了PL, 分配在GPIO的Bank2和Bank3。MIO在芯片外部有54个引脚，这些引脚可以用 于GPIO、SPI、UART、USB 等功能上，每个引脚都同时具有多种功能。因为 MIO 是PS部分的引脚且其操作对于PL端不可见，所以对MIO的操作可以视为纯PS 端的操作。EMIO有64个引脚， EMIO与MIO的不同在于，EMIO连接到了PL， 再从PL输出信号，而MIO直接从PS端输出。

????????ZYNQ PS 中包含一组丰富的外设，用于和外部设备进行通信。ZYNQ的IO 包括对外连接的GPIO和内部PS与PL通信的AXIO。其中对外的GPIO又分为 两种：MIO和EMIO。MIO和 EMIO只是 GPIO信号的两种接口，MIO直连到 PS，EMIO则是 PS扩展到PL，从PL接出的I/O。EMIO依然属于PS，只是连 接到了PL，再从PL输出信号。所以MIO不需要管脚约束，而EMIO需要管脚 约束。 ????????

????????当GPIO 用作输出时，一般用于控制一些简单的外设，如LED 和蜂鸣器。 也可以用于观测一些简单外设的状态，如按键，此时 GPIO 用作输入。GPIO 可 以通过 MIO 连接到 PS 端的引脚，也可以通过 EMIO 连接到 PL。

????????MIO 是 I/O外设连接的基础，软件程序将I/O信号路由到MIO引脚。由于 MIO 引脚数量有限，I/O外围信号也可以通过EMIO接口路由到PL(包括PL设 备引脚)，用于访问更多的设备引脚(PL引脚)和允许I/O外设控制器接口到PL中 的用户逻辑，

【开发环境】

Vivado v2018.3 (64-bit)

【开发流程】

2.1工程创建

双击打开Vivado软件，界面如下图所示

首先点击Quick Start 下的 Create Project 创建新工程，也可点击工具栏中的 File->Project->New...进行创建。

进入新建工程向导后next，编辑工程名称和工程目录

对需要的工程类型进行选择，将光标放置在对应的选项上即可出现对应的中文翻译。这里我们勾选“RTL Project”，因为我们是完全新建工程，所以勾选下方的现在不指定资源，接着点击“next”进行下一步。

截接下来选择对应的开发板型号

接下来会弹出工程摘要界面，该界面会对工程的类型以及所选用芯片的器件型号进行总结，用户可通过该界面检查是否有创建错误。确认无误后点击 Finish 完成工程创建

2.2模块创建

创建完成后Vivado工程后软件界面及对应功能如下图

接下来点击“Create Block Design”创建一个模块设计，在弹出的窗口中对设计命名。

接下来对其命名 注意：不能使用中文以及空格命名。

创建完成后软件界面如图所示，可以看到此时Design栏中出现了我们刚创建好的“system”模块设计。此时我们的设计内没有任何内容，需要点击 “+”为设计添加IP核。

2.3硬件系统创建

添加IP核

在弹出的搜索栏中输入 zynq，可以看到下方出现了“ZYNQ7 Processing System”， 如图所示。该IP核为ZYNQ7 处理系统IP核，双击该IP核添加。 添加完成后的zynq IP核如图所

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?大部分IP核在添加完成后，并不能直接满足用户的需求，我们还需对IP核 的接口信号以及一些相关参数进行配置

双击IP核 进入配置

Zynq 中的外设接口由对应控制器控制，使用时需要先进行使能。点击图形化向导界面的I/O Peripherals中对应的外设接口便可以跳转到相应的配置界面， 或者从左侧导航栏的MIO Configuration手动进入到配置界面。

本次设计通过PS与PL侧的按键控制另一侧的led灯，每个按键和led 灯都需要一个GPIO信号。在前面的原理部分我们有讲过，GPIO连接到PS部分使用的是MIO接口，连接到PL部分使用的则是EMIO接口，所以本次设计我们需要使能这两个外设接口。PS 端的引脚是固定的，我们不需要分配， PL端的按键和led灯都需要一个EMIO信号，因此我们将EMIO的位宽设置为2。设置完成后检查电平状态，将Bank1的电平设置为1.8V。

使能完外设接口后我们返回图形化向导界面，如图所示。可以看到在GPIO外设后面已经打上了√，代表此时我们已经使能该接口。在进行硬件逻辑系统搭建时，我们可以通过该界面快速一览使用到了哪些zynq资源。

接下来开始配置 DDR 型号，DDR 全名为双速率同步动态随机存储器 （Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory），也就是我们常说的内存。基于PS端的应用，大部分都需要基于片外存储外设DDR上运行。 因此在使用时，我们需要配置DDR型号。 DDR 的配置同样可以通过图像化向导界面跳转，如所示，点击 DDR 控制 器，软件便会快速跳转。

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配置完 DDR后即完成了本次 zynq IP 核的配置，点击 OK，可以看到此时 zynq IP 核如图 2-31所示，因为我们配置了GPIO外设，相较于配置前，此时多 了一个GPIO_0端口。?

然后导出引脚

导出完成后可以看到软件帮我们导出了zynq的两个引脚，但是 GPIO_0还 未导出，因此我们需要将其手动导出。?

?

端口连接

本次设计中zynq IP核在配置时，有几个端口信号是没有被使用到的，这几 个信号具体如下：

? FCLK_RESET0_N：全局复位信号，低电平有效。

? M_AXI_GPIO：通用AXI接口信号，M代表其作为主机信号。

? M_AXI_GPIO_ACLK：M_AXI_GPIO的输入时钟信号。

? FCLK_CLK0：PS输出时钟信号。 其中，M_AXI_GPIO_ACLK 虽然本次设计并未使用到，但是如果不给其一 个输入信号，软件便会报错。为了防止出现该现象，我们只需将 FCLK_CLK0 和M_AXI_GPIO_ACLK连接即可。连接时只需选中其中一个引脚按住鼠标左键 拖动到对应的引脚即可。如图所示

在涉及到的模块较多的场合，系统会出现自动连接（Run Connection Automation）的选项，如图? 所示。点击该项并设置需要连接的模块后，软件便会自动生成 AXI 互联 IP 核（AXI Interconnect）和处理器系统复位 IP 核 （Processor System Reset），并自动连接 AXI信号，部分时钟信号和复位信号。 但是软件在连接时，有时会将信号连接到用户期望之外的端口上。因此，连线复杂的设计通常需要手动对部分端口信号进行连接。?

验证设计

端口连接完成后使用快捷键 Ctrl+S 或者点击左上方的保存按钮保存设计， 随后点击上方的√来对设计进行验证。

?

?系统开始对设计进行验证，当出现以下弹窗时，证明设计无误。如果出现 警告，则需要重新检查系统。

2.4然后生成封装

点击sources资源栏下我们创建的system模块设计，单击右键，在展开的功 能中选择“Generate Output Products...”生成输出。

接下来软件会弹出生成输出前的设置界面，如图所示。在合成选项栏 直接选择“Out Of context per IP”即可，下方的“Number of jobs”选项选择最 大值。该值会影响生成输出时的速度，该值越大，生成输出的速度就越快，最 大值与电脑配置有关，设置完成后点击“Generate”开始生成。

?输出的生成比较慢需要等待一段时间，生成完成后软件会弹出如图 所 示弹窗，点击OK即可。

接着我们还是点击sources资源栏下我们创建的system模块设计，单击右键， 在展开的功能中选择“Create HDL Wrapper...”创建HDL封装。

在弹出的窗口中选择让 vivado管理封装和自动更新，随后点击 OK开始创 建封装。

当Sources栏出现蓝色名为system_wrapper的 设计文件时，则代表封装已经创建和更新完成，如图所示。

这里需要注意的是，system_wrapper.v 文件为顶层例化文件，在用户修改设 计并生成输出后，只要更新 Wrapper，system_wrapper.v 中的内容便会被覆盖。 若用户需要在顶层中手动加入一些语句，在修改硬件生成输出后只要更新 Wrapper这些语句便会被覆盖。如果您的设计中需要加入自己的逻辑代码，建议用户手动创建一个顶层文件，在文件中例化system_wrapper.v文件，并添加自己 的逻辑代码。

2.5管脚约束

对于使用过PL端的设计，在完成封装后，我们需要对涉及到的管脚进行分 配和约束。点击左侧导航栏的“Open Elaborated Design”进行约束和分配。

打开后管脚约束界面如图所示，如果软件没有正确显示该界面，可以 将右上角的下拉栏展开，打开I/O Planning皆可切换到该页面。

在管脚约束界面中，我们需要做的是对使用到的PL端的管脚进行分配并对 管脚电平进行约束，本次设计所涉及到的为PL端的按键和PL端的LED灯。

具体管脚查询自己所用到的开发板型号说明文件 查询完成管脚分配

完成分配后使用快捷键 Ctrl+S 对约束文件进行保存，此时软件会弹出弹窗 让用户进行命名，将光标停在英文上即可出现对应翻译。在下方File name中对文件进行命名，这里读者可自行命名，只要符合命名规范即可。

?2.6?生成比特流

完成了管脚约束后即可开始比特流的生成，比特流中包含着对PL端的配置信息，其中就包括对引脚的分配以及电平的约束，因此生成比特流需要在进行管脚分配和约束之后。当然如果设计并未使用到PL部分资源，可以直接跳过该 环节。 点击“Generate Bitstream”开始生成比特流，如图所示。此时软件会提示没有可用的实现结果，是否先进行综合实现再自动生成比特流，我们直接 点击Yes即可。

?

比特流生成的时间较长，需要耐心等待，在生成比特流时，vivado 软件右 上角会显示此时的运行状态，如图所示。

当比特流生成完成时，右上角会出现√的标识，?

2.7导出硬件

首先点击 File，然后在展开的功能栏中选择 Export，最后在 Export 的多个 选择项中选择“ExportHardware...”将硬件描述文件导出。

此时软件会弹出弹窗询问我们是否包含比特流，对于本次设计，我们涉及到了 PL 端的资源使用，因此需要勾选比特流，如图 所示。勾选比特流后 点击OK开始导出。

比特流中包含有PL端的配置信息，因此对于涉及到PL端资源的设计，导 出硬件描述文件时我们需要包含比特流，以配置 PL。而对于纯 PS 端的设计， 用户在导出时无论是否勾选包含比特流都是可以的

2.8启动SDK

硬件导出完成后 vivado 部分的设计已经完成，接下来打开 SDK开始 CPU 软件程序设计。点击File，在展开的功能栏中选择“Launch SDK”

接下来软件会弹出弹窗让我们设置硬件描述文件和工作空间的路径，这里我们保持默认即可，点击OK运行SDK。

2.9CPU软件程序设计

打开SDK软件界面如图 所示，其中“system_wrapper_hw_platform_0” 为从vivado中导出的硬件资源描述文件。

创建SDK工程

接下来会进入工程创建界面，如图所示。此时需要为工程命名， 其余部分软件已经帮我们设置好了，例如工程所支持的硬件平台，处理器型号 等。这里我们保持默认，点击Next进行下一步。?

这里我们需要为工程选择模板，选择 Empty Application，此时右边窗口便 会出现当前工程模板的描述，点击Finish完成工程创建。

创建完成可以看到工程资源中多了两个文件夹

?

?添加用户代码

如图所示，将工程下拉展开，右键单击 src 文件夹，在弹出的功能栏 中选择New/Source File。

接下来我们需要对该源文件命名，这里必须命名为 main.c，其余部分保持 默认即可。点击Finish完成创建。

完成创建后软件的编辑器自动帮我们打开了 main.c 文件，同时还打开了一 个system.mss的文件，如图所示。?

在写入用户代码前，我们先跳转到系统为我们打开的 system.mss 文件查看。 可以看到该文件除了对板级支持包进行了相关说明外，还提供了许多相关的驱 动例程和相关文档供开发者参考。

接下来返回main.c，向其中添加以下代码：

/* 
 * 使用PS_GPIO实现了按键控制LED功能: 
 * PS端按键按下→PL端的灯亮起，松开熄灭 
 * PL端按键按下→PS端的灯亮起，松开熄灭 
*/ 
#include "COMMON.h" 
int main(void) 
{ 
    u8 State;   //存放按键(MIO47)的电平状态，0为低电平，1为高电平 
 
    PS_GPIO_Init(); //初始化PS端MIO和EMIO 
    //设置PS_LED(MIO7)为输出并且初始为低电平 
    PS_GPIO_SetMode(PS_LED, OUTPUT, 0); 
    //设置PL_LED(EMIO0)为输出并且初始为低电平 
    PS_GPIO_SetMode(PL_LED, OUTPUT, 0); 
    PS_GPIO_SetMode(PS_KEY, INPUT, 0); //设置PS_KEY(MIO47)方向为输入 
    PS_GPIO_SetMode(PL_KEY, INPUT, 0); //设置PL_KEY(EMIO1)方向为输入 
 
    while(1) 
    { 
        //读取PS_KEY的电平值并存储到State变量里 
        State = PS_GPIO_GetPort(PS_KEY); 
        //将State变量的值取非赋予PL_LED来输出    
        PS_GPIO_SetPort(PL_LED,!State);    
        //读取PL_KEY的电平值并存储到State变量里  
        State = PS_GPIO_GetPort(PL_KEY);  
        //将State变量的值取非赋予PS_LED来输出   
        PS_GPIO_SetPort(PS_LED,!State);    
    } 
    return 0; 
} 

Ctrl+S 保存设计，SDK 会自动编译，在确认编译无误后，接下来便可以开 始进行板级验证了。

2.9下载验证

点击我们创建的led工程，随后点击上方菜单栏的Run，在展开的功能选项 中选择“Run Configurations...”。软件会打开如图所示界面。

接下来我们要新建一个任务，将烧录文件下载到开发板中具体步骤如下：

① 双击GDB或System Debugger新建配置任务?

② 在右侧检查是否添加比特流文件和 PS初始化脚本，通常软件会自动添 加，如果没有，用户可以关闭并重新打开该界面或自己手动添加。比特 流只在使用到PL资源时需要，在纯PS的设计中不需要添加比特流。

③ 确认下方四个选项都被勾选，这四个选项分别是系统复位、配置 FPGA、 PS 初始化和 PL-PS 电平转换。后两个选项通常是默认勾选的，用户需 要手动勾选前两项以确保PL部分能够被正确配置。

④ 点击上方的Application切换到应用界面。

⑤ 检查.elf文件是否添加且烧录任务是否被选中。这里.elf文件由软件编译 产生，参与用户程序的运行。SDK默认情况下设置了自动编译，用户保 存设计后软件便会编译并生成.elf文件，所以当搜索不到.elf文件时检查 设计是否保存。

⑥ 点击“Run”开始烧录

下载完成后 即可观察板级结果