PYNQ上手筆記 | ②PL端和PS端的獨立開發

阿新 • • 發佈：2018-12-29

在上一篇中提到，Pynq是為了降低開發人員的門檻，但是作為一個學習嵌入式開發的學生，當然要一步一個腳印打好基礎，所以選擇從Zynq入手學習，等跑起來Linux系統再運用Python開發也不遲，知其然也知其所以然，開發效率更高，所以接下來的幾篇都是關於Zynq的，如果想直接玩Pynq可直接跳過，毫無影響。

1.Zynq的架構

在開始實驗之前對Zynq晶片有一個基本的認識，如果想深入瞭解關於Zynq的理論部分，推薦參考The Zynq Book，有英文版和中文版，在此對於Zynq的理論淺嘗輒止，不做深究，重點放在實驗應用上。

Zynq中包含兩大功能塊：PS部分和PL部分。

PS部分

指Processing System，一個基於雙ARM Cortex A9核心的處理系統，其中集成了記憶體儲存器和外部儲存器介面，大量的外設：GPIO、UART、SD/SDIO、IIC、SPI、乙太網、CAN等等介面；
PL部分指Programmable Logic，基於Xilinx 7系列架構的可程式設計邏輯單元，通過PL部分可以為ARM定製很多外設，這也是Zynq的一大優點。

Zynq中雖然包含PS端和PL端，但是整個設計是以ARM處理器為中心的，PS端的ARM核心可以獨立於PL端執行，值得注意的是，雖然PL端也可以獨立於PS端執行，但是PL的配置是由PS端完成的，所以不能採用傳統的固化FLASH的方式固化PL端程式。
PS端和PL端通訊是通過AXI介面

協議連線，這個協議是AMBA的一部分，是一種高效能、高頻寬、低延遲的片內匯流排，對這個匯流排不用進行太深的研究，在後續的實驗中可以看到，Xilinx已經提供了大量的關於AXI匯流排ip核供我們呼叫。

2.獲取Pynq-Z2開發板資料

實驗所需Pynq-Z2開發板的全部資料都可以在TUL官網下載到：

TUL PYNQ-Z2產品公告（PDF）
PYNQ-Z2使用者手冊（PDF）
原理圖（PDF）
Board files
Board file包含了Pynq-Z2開發板上PS端所有的配置，用法在PS獨立實驗中提及。
XDC 約束檔案

3.Zynq中PL端的獨立執行

3.1.實驗目標

配置PL端使板載4個LED閃爍

3.2.實驗步驟

實驗具體步驟參考 ALINX_ZYNQ開發平臺基礎教程V1.02 第四章：PL的“Hello World”LED實驗，需要注意的有以下幾點：

3.2.1.引腳約束

首先新建一個引腳約束檔案後，將之前所下載的Pynq-Z2開發板的引腳約束檔案中的內容拷貝過來，將led和時鐘相關內容取消註釋，注意埠名稱要對應：

3.2.2.下載位元流

PL端的配置需要PS端配置，所以在這裡我們只能使用JTAG方式下載測試程式，並且需要將Pynq-Z2開發板的啟動方式切換為JTAG方式：將右上角的BOOT選擇端子連線最右邊兩個引腳，選中JTAG方式。

3.3.實驗現象

3.3.實驗總結

Zynq中PL端的開發和FPGA晶片（Artix-7）的開發流程完全一樣，但是隻能在獨立使用P端的時候，只能使用JTAG方式下載。

3.4.實驗擴充套件

驅動板載的兩顆RGBled
ip核的使用

4.Zynq中PS端獨立執行

4.1.實驗目標

獨立執行PS端，通過USB線連線的UART0串列埠（）輸出“Hello, world! ”

4.2.實驗流程

實驗具體步驟參考 ALINX_ZYNQ開發平臺基礎教程V1.02 第六章：體驗ARM，裸機輸出“Hello World”實驗，需要注意的有以下幾點：

4.2.1.使用Boardfile新建Vivado工程

在第2節中獲取Pynq-Z2開發板的Board file檔案，這個檔案包含了Pynq-Z2開發板上PS端的所有配置，所以我們接下來新增使用這個檔案來代替 ALINX_ZYNQ開發平臺基礎教程V1.02 中手動配置PS端的過程：

4.2.1.1.新增board file檔案

之前下載的boardfile資料夾中包含pynq-z2資料夾，將其複製[vivado安裝目錄]/2018.1/data/boards/board_parts/zynq目錄下，如圖：

4.2.1.2.新建基於Pynq-Z2開發板的工程

所有步驟都和之前新建工程一樣，只是在選擇Default Part頁面不一樣，如下：

之後會出現開發板相關資訊，再次檢查是否正確，然後Finish
在這裡插入圖片描述

4.2.2.建立Block Design，新增IP，vivado自動匯出埠

建立完Block Design之後，向其中新增zynqIP核，如下圖所示，要注意，這個zynqIP核只是一個獨立的IP核，並沒有進行任何設定和點選，因為工程是基於pynq-z2開發板建立的，已經包含ps端配置資訊，所以直接點選Run Block Automation，Vivado就會自動將這個zynqIP和的DDR和FIXED_IO介面與PS端的介面進行對應連線，連線後如圖所示，然後儲存：
在這裡插入圖片描述

自動連線完成之後雙擊ZynqIP核即可看到所有配置已經自動完成了，我們使用的UART0也已配置完成，這裡只是檢視，不作任何修改：

然後選擇Tools -> Validate Design或者按下F6驗證設計：

這是因為之前自動匯出埠時只配置了DDR和FIXED_IO，設計裡沒有使用AXI 介面GP0相關IP核，所以沒有自動配置時鐘，手動連線：

再次驗證，無錯誤！

4.3.實驗結果

本實驗是串列埠輸出"Hello World!\n\r"，所以檢視方式有三種：

4.3.1.SDK Terminal

SDK中自帶串列埠終端，非常方便，點選按鈕新增串列埠

執行程式後即可看到結果：

4.3.2.外部串列埠終端

此處使用Xshell進行檢視：
在這裡插入圖片描述

4.4.實驗總結

Zynq中PS端的使用包含兩部分：

硬體設計
軟體設計

在設計硬體的時候都是基於IP核進行設計的，ARM處理器核心和Zynq7 Processing IP核相對應，在設計完成之後通過Vivado進行埠之間的自動連線，設計完成後到處SDK所需要的硬體檔案，轉入軟體設計；
軟體設計時和普通ARM核心處理器的開發相同，採用C語言開發，並無多大差異，詳細細節可以參考Xilinx文件和例程。

4.5.實驗擴充套件——printf的測試

printf在嵌入式開發中是一個很常用的函式，通過如下程式碼進行測試：

int main()
{
	char str[20];

    init_platform();

    //print("Hello World\n\r");

    /* Test Function print */
    printf("%d\r\n",123);
    printf("%f\r\n",1.23);
    printf("%x\r\n",0xFF);
    sprintf(str,"%s\r\n","hello");
    printf(str);

    cleanup_platform();
    
    while(1);
}

測試結果如下：