本文主要介绍ZYNQ PS PL异构多核案例的使用说明，适用开发环境：Windows 7/10 64bit、Xilinx Vivado 2017.4、Xilinx SDK 2017.4。其中测试板卡为TMS320C6678开发板，文章内容包含多个特色案例，如axi_gpio_led_demo案例、axi_timer_pwm_demo案例、AXI_uart_demo案例、emio_gpio_led_demo案例、mig_dma案例等，由于篇幅过长，文章分为上下6个小节展示，欢迎大家按照顺序进行文章内容查看。
本次测试板卡为TMS320C6678开发板，它是一款基于TI KeyStone架构C6000系列TMS320C6678八核C66x定点/浮点DSP，以及Xilinx Zynq-7000系列XC7Z045/XC7Z100 SoC处理器设计的高端异构多核评估板，TMS320C6678开发板每核心主频可高达1.25GHz，XC7Z045/XC7Z100集成PS端双核ARM Cortex-A9 PL端Kintex-7架构28nm可编程逻辑资源，引出双路CameraLink、双路SFP 光口、四路千兆网口、双路SATA、双路PCIe、四路USB、双路CAN、双路CAMERA、HDMI IN/OUT、LVDS、LCD、RS485、RS232、Micro SD、HPC FMC等接口。
前 言本文案例位于产品资料“4-软件资料\Demo\ZYNQ_Demo\All-Programmable-SoC-demos\”目录下。案例包含PL端Vivado工程，主要使用Xilinx提供的标准IP核配置PL端资源实现接口扩展，同时包含PS端裸机/Linux程序、PL端MicroBlaze应用程序。案例目录详细说明见下表：
表 1
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目录 |
目录 |
文件/目录 |
说明 |
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hw |
bin |
xxx_xc7z045.bin/xxx_xc7z045.bit |
xc7z045 PL端可执行文件 |
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xxx_xc7z100.bin/xxx_xc7z100.bit |
xc7z100 PL端可执行文件 | ||
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project |
xxx_xc7z045 |
xc7z045 PL端Vivado工程 | |
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xxx_xc7z100 |
xc7z100 PL端Vivado工程 | ||
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sw |
baremetal_demo/FreeRTOS |
bin |
PS端裸机/PS端FreeRTOS/PL端MicroBlaze可执行文件 |
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project |
PS端裸机/PS端FreeRTOS/PL端MicroBlaze工程 | ||
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linux_system |
image |
Linux脚本程序、动态设备树镜像文件 | |
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src |
动态设备树源文件 |
在进行本文操作前，请先参考“ZYNQ PS端裸机与FreeRTOS案例开发手册”、“ZYNQ PL端案例开发手册”、“ZYNQ PL端功能动态设备树使用方法”，熟悉工程编译、程序加载与固化、动态设备树加载等方法。
案例使用Block Design Verilog语言方式进行开发，可在Vivado界面点击"IP INTEGRATOR -> Open Block Design"打开BLOCK DESIGN开发界面。
图 1
可点击"Sources -> Constraints"，双击打开.xdc约束文件。
图 2
处理器硬件资源详细开发说明可查阅产品资料“6-开发参考资料\数据手册\核心板元器件\ZYNQ\”目录下的《ug585-Zynq-7000-TRM.pdf》文档。
视频相关案例说明，请查阅视频案例开发手册。
axi_GPIO_led_demo案例案例功能案例功能：PS端通过AXI4-Lite总线发送命令至PL端AXI GPIO IP核，IP核再根据命令控制评估底板PL端LED5的状态。
图 3
操作说明基于裸机测试加载PS端裸机程序、PL端程序后，即可看到评估底板的LED5每隔0.5s亮灭一次。
基于Linux测试将本案例的动态设备树镜像文件pl.dtbo和PL端.bin格式可执行文件复制到"/lib/firmware/"目录下，并将PL端可执行文件重命名为system_wrapper.bin，然后执行如下命令加载设备树文件和PL端可执行文件。
Target# mount -t configfs configfs /configfs
Target# mkdir /configfs/device-tree/overlays/full
Target# echo pl.dtbo > /configfs/device-tree/overlays/full/path
图 4
由上图可知PL端实现的GPIO控制器为905。
请执行如下命令，配置GPIO为输出模式。
Target# ls /sys/class/gpio/
Target# echo 905 > /sys/class/gpio/export
Target# echo out > /sys/class/gpio/gpio905/direction
图 5
执行如下命令，即可控制评估底板LED5的亮灭。
Target# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio905/value
Target# echo 0 > /sys/class/gpio/gpio905/value
图 6
Vivado工程说明进入BLOCK DESIGN开发界面，双击IP核框图，可查看IP核的具体配置信息。
图 7
点击BLOCK DESIGN开发界面下的"Address Editor"选项，可查看IP核分配的地址为0x41200000，PS端可通过该地址对IP核进行控制。
图 8
IP核配置AXI GPIO IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg144-axi-gpio.pdf》。根据文档，通过寄存器GPIO_TRI可将GPIO配置为输入/输出模式；通过寄存器GPIO_DATA可将GPIO配置为高/低电平，以及可读取GPIO的电平状态。
图 9
图 10
图 11
axi_timer_pwm_demo案例案例功能案例功能：PS端通过AXI4-Lite总线发送命令至PL端AXI Timer IP核，IP核再根据命令通过PWM方式控制评估底板PL端LED5的状态。
图 12
操作说明基于裸机测试加载PS端裸机程序、PL端程序后，即可看到评估底板的LED5约每隔0.5s亮灭一次。
基于Linux测试将本案例的PL端.bin格式可执行文件复制到"/lib/firmware/"目录下，并将PL端可执行文件重命名为system_wrapper.bin，然后执行如下命令加载PL端可执行文件。
Target# echo system_wrapper.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware
图 13
执行如下命令，通过IP核寄存器配置PWM周期和PWM占空比。
Target# devmem 0x42800004 w 100000000 //配置TLR0寄存器的值为100000000，则PWM周期=(100000000 2)x(1/100MHz)，约为1s
Target# devmem 0x42800014 w 50000000 //配置TLR1寄存器的值为50000000，则则PWM占高值=(50000000 2)x(1/100MHz)，约为0.5s，PWM占空比=(1-0.5s/1s)x100%，约为50%
图 14
执行如下命令设置Timer 0与Timer 1为PWM向下计数模式。
Target# devmem 0x42800000 w 0x696
Target# devmem 0x42800010 w 0x696
图 15
命令执行后，即可看到评估底板的LED5每隔0.5s亮灭一次。
Vivado工程说明点击BLOCK DESIGN开发界面下的"Address Editor"选项，可查看IP核分配的地址为0x42800000，PS端可通过该地址对IP核进行控制。
图 16
IP核配置AXI Timer IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的pg079-axi-timer.pdf。根据文档，通过寄存器TLR0(Timer 0)可配置PWM周期；通过寄存器TLR1(Timer 1)可配置PWM占空比。
图 17
图 18
如采用PWM向下计数模式(count down)，PWM周期与占空比的计算公式如下，公式中的100MHz为IP核所接的s_axi_aclk时钟。
- PWM周期=(TLR0 2)x(1/100MHz)
- PWM占高值=(TLR1 2)x(1/100MHz)
- PWM占空比=（1-PWM占高值/PWM周期）x100%
图 19
图 20
axi_uart_demo案例案例功能案例功能：PS端通过AXI4-Lite总线发送命令至PL端AXI Uartlite IP核，IP核再根据命令控制评估底板PL端串口进行数据收发。
CON19(RS232)通过SP3232EEY串口电平转换芯片引出PL端串口，TX和RX引脚分别为K10、L10，电平为3.3V。
图 21
操作说明基于裸机测试请使用Micro USB线连接PC机和评估板PS端串口CON9(USB TO UART)，使用USB转RS232公头串口线和RS232交叉串口母线连接评估板的PL端调试串口CON19和PC机。
图 22
打开设备管理器，确认评估板PS端和PL端调试串口对应的COM端口号。打开串口调试终端SecureCRT，选择对应的COM端口号，设置波特率为115200，8N1，无校验位，并建立串口连接。
加载PS端裸机程序、PL端程序后，即可看到PS端串口调试终端打印如下信息。
图 23
在PL端串口调试终端点击"View -> Command (Chat) Window"，选中并打开"Command (Chat) Window"窗口。在窗口中输入十个字符，再按回车键进行发送。PS端接收到PL端串口的字符后，会将字符通过PL端串口调试终端进行回显。
图 24
图 25
此时，PS端串口调试终端将会打印通过PL端串口接收到的字符。
图 26
基于Linux测试将本案例的动态设备树镜像文件pl.dtbo和PL端.bin格式可执行文件复制到"/lib/firmware/"目录下，并将PL端可执行文件重命名为system_wrapper.bin，然后执行如下命令加载设备树文件和PL端可执行文件。
Target# mount -t configfs configfs /configfs
Target# mkdir /configfs/device-tree/overlays/full
Target# echo pl.dtbo > /configfs/device-tree/overlays/full/path
图 27
此时可在"/dev/"目录下看到串口设备节点ttyUL0。
Target# ls /dev/ttyUL0
图 28
在PS端串口调试终端执行如下命令，向PL端串口发送字符。
Target# echo "tronlong" > /dev/ttyUL0
图 29
此时，PL端串口调试终端显示PS端向PL端串口发送的字符。
图 30
在PS端串口调试终端执行如下命令，监听从PL端串口接收到的字符。
Target# cat /dev/ttyUL0
图 31 PS端串口
在PL端串口调试终端点击"View -> Command (Chat) Window"，选中并打开"Command (Chat) Window"窗口。在窗口中输入字符，再按回车键进行发送。PS端接收到PL端串口的字符后，会将字符通过PL端串口调试终端进行回显。
图 32
图 33
此时，PS端串口调试终端将会打印通过PL端串口接收到的字符。
图 34
Vivado工程说明AXI Uartlite IP核(axi_uartlite_0)设置的串口波特率为115200，数据位为8bit。
进入BLOCK DESIGN开发界面，双击IP核框图，可查看IP核的具体配置信息。
图 35
点击BLOCK DESIGN开发界面下的"Address Editor"选项，可查看IP核分配的地址为0x42C00000，PS端可通过该地址对IP核进行控制。
图 36
IP核配置AXI Uartlite IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg142-axi-uartlite.pdf》。根据文档，通过读寄存器Rx FIFO可获取PL端串口接收到的数据；通过写寄存器Tx FIFO向PL端串口发送数据。
图 37
图 38
图 39
axi_xadc_demo案例案例功能案例功能：PS端通过AXI4-Lite总线发送命令至PL端XADC Wizard IP核，IP核再根据命令通过内部XADC采集片上电压、温度等参数。
操作说明基于裸机测试加载PS端裸机程序、PL端程序后，即可看到PS端串口调试终端打印相关参数测量值。
图 40
评估底板电路已设计接入0.46875V的测试电压，与测试结果基本一致。
图 41
基于Linux测试将本案例的PL端.bin格式可执行文件复制到"/lib/firmware/"目录下，并将PL端可执行文件重命名为system_wrapper.bin，然后执行如下命令加载PL端可执行文件。
Target# echo system_wrapper.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware
图 42
将案例目录下的"sw\linux_system\image\xadc_app.sh"脚本文件复制到评估板文件系统，并执行如下命令显示参数测量值。
Target# ./xadc_app.sh
图 43
评估底板电路已设计接入0.46875V的测试电压，与测试结果基本一致。
图 44
温度、电压换算公式请查阅产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《ug480_7Series_XADC.pdf》。
图 45
图 46
- 片上内部温度：40454*503.975/65536–273.15=37.943211℃
- PL端内部核心电压：33347/65536*3=1.526505V
备注：由于寄存器读取的数据按16位进行换算，因此电压换算公式中分母的数值应该按65536（2的16次方），而非4096（2的12次方）。
Vivado工程说明进入BLOCK DESIGN开发界面，双击IP核框图，可查看IP核的具体配置信息。
图 47
图 48
参数说明
- TEMPERATURE：片上内部温度。
- VCCINT：PL端内部核心电压。
- VCCAUX：PL端辅助电压。
- VCCBRAM：PL端BRAM电压。
- VCCPINT：PS端内部核心电压。
- VCCPAUX：PS端辅助电压。
- VCCDDRO：DDR工作电压。
- VP/VN：模拟输入引脚。
点击BLOCK DESIGN开发界面下的"Address Editor"选项，可查看IP核分配的地址为0x43C00000，PS端可通过该地址对IP核进行控制。
图 49
IP核配置XADC Wizard IP核开发文档为产品资料“6-开发参考资料\Xilinx官方参考文档\”目录下的《pg091-xadc-wiz.pdf》。根据文档，通过读寄存器可获取对应参数测量值。
图 50
emio_gpio_led_demo案例案例功能案例功能：PS端通过EMIO方式控制评估底板LED5的状态。
图 51
Zynq-7000的GPIO分为MIO(multiplexed I/O)和EMIO(extended multiplexed I/O)两种。
MIO：PS端多功能IO接口，IO与PS端连接，每个IO可根据需求配置为GPIO、SPI、UART、TIMER、Ethernet、USB等多种不同功能。由于MIO对PL端不可见，因此PL端无法使用MIO引脚。
EMIO：MIO扩展接口，IO与PL端连接。由于EMIO对PS端、PL端均可见，因此两者均可使用EMIO引脚。一般情况下，如PS端MIO资源无法满足需求时，PS端可通过EMIO方式进行接口拓展。EMIO的使用与MIO相似，区别在于EMIO需使用Vivado约束文件对管脚进行分配。
MIO分配在Bank0和Bank1，EMIO分配在Bank2和Bank3。Bank1是22bit，其他Bank都是32bit，因此MIO有54个管脚，EMIO有64个管脚。MIO管脚号为0~53，EMIO的管脚号为54~117。
图 52
操作说明基于裸机测试加载PS端裸机程序、PL端程序后，即可看到评估底板的LED5每隔0.5s亮灭一次。
图 53
基于Linux测试将本案例的PL端.bin格式可执行文件复制到"/lib/firmware/"目录下，并将PL端可执行文件重命名为system_wrapper.bin，然后执行如下命令加载PL端可执行文件。
Target# echo system_wrapper.bin > /sys/class/fpga_manager/fpga0/firmware
图 54
请执行如下命令，设置GPIO为输出模式。
Target# echo 960 > /sys/class/gpio/export
Target# echo out > /sys/class/gpio/gpio960/direction
图 55
执行如下命令，即可控制评估底板LED5的亮灭。
Target# echo 1 > /sys/class/gpio/gpio960/value
Target# echo 0 > /sys/class/gpio/gpio960/value
图 56
Vivado工程说明进入BLOCK DESIGN开发界面，双击ZYNQ7 Processing System IP核框图，再点击"MIO Configuration -> GPIO"，由于本案例使用一个EMIO引脚，因此可看到EMIO GPIO(Width)选项值为1，最大值可为64。
图 57
MIO0对应管脚编号为906，EMIO0对应管脚编号为960(906 54)。
图 58
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