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MicroZus 开发平台参考教程 - 基于ZYNQ 7010 的 FPGA + ARM 开发

目录 0 前言 ....................................................................................................................................................... 1 1 Zynq-7000 系列芯片简介 ............................................................................................................... 2 2 Vivado 开发环境安装 ....................................................................................................................... 4 3 Vivado 全流程概览 - LED 流水灯（PL） ................................................................................... 18 4 硬件环境的调优 - 按键检测（PL） ................................................................................................. 40 5 和片外芯片打交道 - IIC 读写 EEPROM（PL） .......................................................................... 46 6 片上调试的利器 - 用 ILA 在线调试 IIC 串口（PL） ................................................................... 53 7 节能环保 - 增量编译 FPGA 设计的小改动（PL） ....................................................................... 70 8 打包自己的设计 - 用户定义 IP 之模块打包（PL） ....................................................................... 78 9 逻辑设计中的即插即用 - 基于 IP 的设计之 HDMI 输出（PL） ................................................. 94 10 Zynq 处理器初探 - Hello Zynq（PS） ................................................................................ 112 11 Zynq 中断初探 - PPI 中断（PS） ........................................................................................... 130 12 Zynq 软硬件协同设计 - LED 流水灯（PS+PL） .................................................................... 137 13 Zynq 软硬件协同设计 - 按键中断检测（PS+PL）.................................................................. 150 14 Zynq 软硬件协同设计 - 按键非中断检测（PS+PL）.............................................................. 165 15 Zynq 软硬件协同设计 - EMIO（PS+PL） .............................................................................. 178 16 Zynq 软硬件协同设计 - AXI4 IP 打包（PS+PL） ................................................................ 194 17 Zynq 软硬件协同设计 - IIC 读写 EEPROM（PS+PL） ...................................................... 207 18 Zynq 软硬件协同设计 - DRAM 读写操作（PS+PL） ........................................................... 223 19 Zynq 软硬件协同设计 - HDMI 输出（PS+PL） ..................................................................... 236 20 Zynq 软硬件协同设计 - 从 Flash 和 SD 卡启动（PS+PL） ................................................ 276 21 Zynq Linux 开发 - VirtualBox 安装 Ubuntu14.04 ..................................................... 294 22 Zynq Linux 开发 - PetaLinux 工具安装 ........................................................................... 317 23 Zynq Linux 开发 - 从 QSPI-Flash 启动 PetaLinux ..................................................... 322 24 Zynq Linux 开发 - 从 SD 卡启动 PetaLinux ................................................................... 344 25 Zynq Linux 开发 - 基于 TCF-agent 调试 Linux 应用程序 ............................................ 365

26 Zynq Linux 开发 - 驱动 USB 外设 ....................................................................................... 386 27 Zynq Linux 开发 - 驱动 WiFi ................................................................................................ 409 28 Zynq Linux 开发 - Run Ubuntu ......................................................................................... 458 29 最后 - 以终为始 ........................................................................................................................... 486

 必要性 0 前言开发此教程之前，作者一直在问自己，它存在的必要性是什么。因为 Xilinx 有官方的开发板和用户手册，也有非常有名的第三方开发板厂商如 Digilent，还有淘宝上各式各样的开发板。但是，它们都存在诸多问题：  Xilinx 官方开发板：价格昂贵，内容简略，对开发者要求较高。  Digilent 开发板：价格昂贵，内容简略，对开发者要求较高。  淘宝上其他开发板：良莠不齐，内容东拼西凑，只是简单步骤的罗列，代码混乱。  读者需要什么当然是学会 FPGA 开发。作者本人在 FPGA 逻辑设计领域摸爬滚打也有 7，8 年了，一开始也买过市面上的一些板卡，但大部分开发板，只是简单步骤的罗列，再加上一些没有为什么的代码，而且各式各样的代码风格也让我深受其害。因为做 FPGA 开发的大都是硬件工程师，没有受过系统的软件开发训练，代码混乱就可想而知。所以这本教程，也带有作者多年的点滴经验和体会，希望能帮读者迅速入门，少走弯路。  为什么学习 ZYNQ 平台有工科背景的读者，大部分都接触过单片机，DSP，FPGA 开发，单片机和 DSP 自身带有 CPU 和指令集，相当于一个完整的微型系统，而 FPGA 以前常常用来做粘合逻辑，对于大型项目，往往要外接 DSP 作为主处理器负责流程控制和调度，而 FPAG 作为协处理器负责大规模并行计算，所以可以说以前的 FPGA 是没有大脑的，随着 Altera 和 Xilinx 推出带 Nios 和 Microblaze 软核的 FPGA，这种状况得以缓解。ZYNQ 平台的推出，更使得基于 FPGA 的片上系统（SoC）成为可能。 ZYNQ 是 Xilinx 推出的 FPGA 加 ARM 解决方案，片内总线采用 AXI 总线协议（AMBA 3.0），相比较于常用的 AHB 总线协议（AMBA 2.0），其性能和带宽均有大幅提升。随着数字系统越来越复杂，软硬件协同设计越来越困难，FPGA 加 ARM 这种低成本 SoC 解决方案是大势所趋。  为什么选择我们针对以上各种问题，MicroPhase 为读者推出高性价比的开发板和内容详实的参考教程，不只告诉你怎么做，更要告诉你为什么，从而帮助读者迅速入门，轻松进阶，稳步提高，进而领略到 FPGA 加 ARM 开发的乐趣。 1

1 Zynq-7000 系列芯片简介 Zynq™-7000 系列芯片是基于 Xilinx 的可扩展处理器平台架构(Extensible Processing Platform, EPP)，将双核 ARM Cortex™-A9 处理器和 FPGA 可编程逻辑单元集成在一颗单芯片中，从而构成所谓的 PS(Processing System)加 PL(Programmable Logic)的单芯片 SoC 解决方案。 PS 部分，以 ARM 处理器为核心的应用处理单元(Application Processor Unit, APU)可以集成丰富的外设，如 DDR，QSPI Flash，USB，UART，I2C，SPI，CAN，SDIO，Ethernet 等。 PL 部分，为用户提供了如高精度 DSP 处理器，XADC 模数转换器等通用的逻辑单元。得益于 FPGA 可编程的灵活性，用户可以根据不同的应用场景实现不同的逻辑功能。 PS-PL 互联，基于 ARM AMBA3.0 协议的 AXI 总线，提供了高性能，高带宽，低延迟的片内总线，相比较于目前通用的 AMBA2.0 的 AHB 总线协议，更容易设计出高性能 SoC。下图是 Zynq-7000 系列 FPGA 总览图， 2

其中，绿色框①为 PL 域，紫色框②为 PS 域，金色框③为以 ARM 双核处理器为核心的应用处理单元，橙色框④为 PS 域和外围器件的接口 MIO。新知识的学习总带有新名词，这里总结一下上图中重要的缩略语。 MIO (Multiplexing IO， PS 域可复用的 IO，因为此 IO 管脚的配臵在一定范围内有灵活性)； EMIO (Extensible MIO，对 MIO 的扩展，将 PL 域的 IO 口直接连到 PS 域)； GIC (General Interrupt Controller，通用的中断控制器)； IRQ (Interrupt Request，中断请求)； OCM (On Chip Memory，片上存储)； DMA (Direct Memory Access，直接存储访问) 其它的以后慢慢记。以下简要总结 Zynq-7000 系列 FPGA 的片上资源，让读者先有个大体概念。  PS 部分 ARM Cortex-A9 实时信号处理器，支持对称和非对称配置。 ARM Version 7 指令集。 32KB 指令和 32KB 数据 L1 缓存，512KB 共享 L2 缓存。私有定时器，看门狗定时器。 256KB 的片上 SRAM。集成 DMA 控制器。通用中断控制器 GIC。 DDR/QSPI/SRAM/NOR/NAND 控制器。 I/O 外设如：GPIO, Ethernet, USB, SDIO, SPI, CAN, UART, I2C。  PL 部分可配置的逻辑块 CLB。 36KB 的块 RAM。数字信号处理器 DSP48。高精度时钟管理。可配置的高性能 I/O。低功耗收发器 transceivers。模数转换器 XADC。好了，Zynq-7000 系列芯片的介绍就先到这里，读者有个大体印象就可以了。后续随着学习的不断深入，会逐步熟悉各种片上资源。下一节，将为读者具体描述 Xilinx 未来 10 年力推的开发工具 Vivado 的安装。 3

2 Vivado 开发环境安装  Vivado 安装包下载对于网络条件比较差的读者，拿到开发板后，请联系 MicroPhase 工作人员获取百度网盘下载地址。对于网络条件比较好的读者，可以自己在 Xilinx 官网下载。另外考虑到 Vivado 软件的更新换代，更高版本的软件，往往意味着更好算法的加入，比如更好的集成电路布线算法，可能一个先前时序很紧张的设计，用新版本软件去重新编译，会得到一个更宽松的时序裕量。所以本节花费一些笔墨，为大家介绍在 Xilinx 官方网站下载安装包和遇到问题的解决方法。具体步骤如下， 1. 浏览器打开 Xilinx 官方网站 http://www.xilinx.com/ 2. 先注册一个账号，如下图点击，选择 Create an account，填入必要的信息，提交即可注册成功（注意，账号从注册到生效可能需要半天时间）。 3. 点击 Support > Downloads & Licensing，点击 Vivado，再点 2015.4，（注意，本教程使用相对比较成熟和稳定的 2015.4 版本）如下图， 4

4. 然后下拉网页，找到 Vivado Design Suite - HLx Editions - Single File Download 这一项，如下图选择要下载的安装包，（注意，选择 All OS Installer 的原因是，可同时支持在 Windows 和 Linux 系统下的安装，后续我们会用到 Linux 下的开发）。 5. 用之前注册的账户登录，之后点击 Next 即可开始下载。注意，因为某些未知因素，点击 Next 后可能不会出现下载页面，而有如下出错信息， 5

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