【正点原子FPGA连载】第一章Hello World实验--领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

` 本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-8-31 19:08 编辑

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第一章Hello World实验

“Hello World!”是各种编程语言中最简单，同时也是最经典的入门实验。因此，我们将串口打印“Hello World”作为ZYNQ嵌入式系统的开篇实验，这也是我们步入ZYNQ的PS部分的始发点。通过本次实验我们将了解ZYNQ嵌入式系统的开发流程，熟悉ZYNQ嵌入式最小系统的搭建。
本章包括以下几个部分：
1.1简介
1.2实验任务
1.3硬件设计
1.4软件设计
1.5下载验证
1.1简介
首先我们来了解一下ZYNQ嵌入式系统的开发流程。



图 1.1.1 ZYNQ嵌入式系统开发流程
如上图所示，开发流程大体可以分为6步。其中step1至step4为硬件设计部分，在Vivado软件中实现；step5为软件设计部分，在SDK软件中实现；step6为功能的验证。复杂的程序还涉及Debug，这个也是在SDK软件中实施。具体每一步的操作我们会在后面详细介绍。
在简单了解ZYNQ嵌入式系统的开发流程后，接下来我们来看一下什么是ZYNQ嵌入式最小系统。ZYNQ嵌入式最小系统的概念包括以下两个方面：一、它是使系统正常工作的最小条件；二、它是其他系统建立的基础。



图 1.1.2 ZYNQ嵌入式最小系统
如图 1.1.2所示，以ARM Cortex-A9为核心、DDR3为内存，加上传输信息使用的UART串口就构成了ZYNQ嵌入式最小系统。可以看到，这个最小系统只包括了ZYNQ中的PS部分。
下面我们将按照ZYNQ嵌入式系统开发流程，一步步的搭建上图所示的最小系统。
1.2实验任务
本章的实验任务是在领航者ZYNQ开发板上搭建ZYNQ嵌入式最小系统，并使用串口打印“Hello World”信息。
1.3硬件设计
在图 1.1.1中，我们将step1至step4划分为硬件设计部分。
step1：创建Vivado工程
1-1 打开Vivado，进入Vivado界面后，点击“Quick Start”栏的 “Create Project”。然后在弹出的创建Vivado工程向导界面，点击“Next”。如下图所示：



图 1.3.1 点击创建工程


图 1.3.2 创建工程向导
1-2 进入工程命名界面。设置工程名为“hello_world”，工程路径可使用任意路径，本章我们将该工程放在F:YNQEmbedded_System文件夹下。注意，工程名和路径只能由英文字母、数字和下划线组成，不能包含中文、空格以及特殊字符！
确认已经勾选“Create project subdirectory”,点击“Next”，如下图所示：




图 1.3.3 设置工程信息


图 1.3.4 选择工程类型
1-3 进入图 1.3.4所示的界面，在此界面设置工程类型。此处我们选择 “RTL Project”。本次实验不需要添加源文件和约束文件，所以勾选“Do not specify sources at this time”。勾选之后会省略后面添加源文件和约束文件的步骤，点击“Next”直接跳到器件选型界面。
1-4 器件选型界面。所选择的器件型号一定要跟领航者核心板上的ZYNQ芯片型号保持一致。领航者核心板上的ZYNQ芯片有两种型号，XC7Z010和XC7Z020。大家可以通过查看核心板上ZYNQ芯片的私印来确认所使用的芯片型号。这两个芯片主要的差异是PL部分的逻辑资源不同，PS部分相同，另外XC7Z010型号速度等级speed为“-1”，XC7Z020的为“-2”，这在器件选型的时候需要注意。此处以XC7Z020为例。
选择器件型号的方式有两种，一种是根据Parts，另一种是根据Boards，此处我们使用Parts选择器件。在Family栏里选择“Zynq-7000”, Speed栏选择“-2”，需要注意的是，在Package栏选择“clg400”。然后根据所使用的领航者核心板上的ZYNQ芯片型号，在下面的器件列表中选择“xc7z020clg400-2”，如下图所示。若是XC7Z010，相对应的器件为“xc7z010clg400-1”。



图 1.3.5 器件选型界面

选中之后，点击“Next”。
1-5 工程摘要界面。这是创建工程的最后一步，显示工程摘要信息，如图 1.3.6所示。在此界面检查前面所设置的工程名称、所选择的器件型号等信息。如果发现工程设置有误，则可以通过Back按钮返回前面的步骤，重新设置。检查无误后点击“Finish”，完成工程创建。
工程创建完成后的Vivado界面如图 1.3.7所示。



图 1.3.6 工程摘要界面

图 1.3.7 工程创建完成后的Vivado界面
step2：使用IP Integrator创建Processing System
Vivado开发套件中提供了一个图形化的设计开发工具——IP 集成器（IP Integrator），在IP集成器中可以非常方便的插入各种功能模块（IP）。它支持关键IP接口的智能自动连接、一键式IP子系统生成、实时DRC等功能，能够帮助我们快速组装复杂系统，加速设计流程。
接下来我们将在IP集成器中完成ZYNQ嵌入式系统的搭建。
2-1 在左侧导航栏（Flow Navigator）中，单击IP Integrator下的Create Block Design。然后在弹出的对话框中指定所创建的Block Design的名称，在Design name栏中输入“system”。如下图所示：



图 1.3.8 创建 Block Design

2-2点击“OK”按钮，此时Vivado界面如下图所示。注意右侧的Diagram窗口，我们将在该窗口中以图形化的方式完成设计。



图 1.3.9 Block Design界面

2-3 接下来在Diagram窗口中给设计添加 IP。点击上图中箭头所指示的加号“+”，会打开IP目录（IP Catalog）。也可以通过快捷键Ctrl + I，或者右键点击Diagram工作区中的空白位置，然后选择“ADD IP”。
2-4 打开IP目录后，在搜索栏中键入“zynq”，找到并双击“ZYNQ7 Processing System”，将ZYNQ7处理系统IP添加到设计中。



图 1.3.10 添加ZYNQ7 Processing System IP

2-5 添加完成后，ZYNQ7 Processing System模块出现在Diagram中，如下图所示：



图 1.3.11 ZYNQ7 Processing System IP

2-6 双击所添加的ZYNQ7 Processing System模块，进入ZYNQ7处理系统的配置界面。界面左侧为页面导航面板，右侧为配置信息面板。如下图所示：



图 1.3.12 ZYNQ7处理系统配置界面

下面我们简要地介绍一下页面导航面板中各个页面的作用。
在Zynq Block Design页面，显示了Zynq处理系统（PS）的各种可配置块，其中灰色部分是固定的，绿色部分是可配置的，按工程实际需求配置。可以直接单击各种可配置块（以绿色突出显示）进入相应的配置页面进行配置，也可以选择左侧的页导航面板进行系统配置。
PS-PL Configuration页面能够配置PS-PL接口，包括AXI、HP和ACP总线接口。
Peripheral IO Pins页面可以为不同的I/O外设选择MIO/EMIO配置。
MIO Configuration页面可以为不同的I/O外设具体配置MIO/EMIO。
Clock Configuration页面用来配置PS输入时钟、外设时钟，以及DDR和CPU时钟等。
DDR Configuration页面用于设置DDR控制器配置信息。
SMC Timing Calculation页面用于执行SMC时序计算。
Interrupts页面用于配置PS-PL中断端口。
2-7 配置PS的UART。点击Peripheral I/O Pins页面，出现以下IO引脚配置界面。



图 1.3.13 配置ZYNQ7 Processing System的UART

PS和外部设备之间的连接主要是通过复用的输入/输出（Multiplexed Input/Output，MIO）来实现的。PS的54个MIO引脚可以用于连接不同的外设接口，如图 1.3.13中的MIO14和MIO15，既可以配置成UART0的引脚接口，也可以配置成I2C0或CAN0的引脚接口。最终所选择的配置需要与领航者开发板的原理图相对应。



图 1.3.14 领航者核心板原理图

图 1.3.14是领航者核心板原理图的一部分。从图中我们可以看到，BANK500中的MIO14和MIO15被用作UART串口通信的引脚，并最终与底板上的USB转串口芯片CH340连接。因此，为了实现串口通信的功能，我们需要在PS中将MIO14和MIO15配置成 UART0模块的接口引脚。
如下图所示，我们在MIO14和MIO15下点击UART0，方框的颜色会变成绿色，与此同时这两个MIO也会变成绿色。这就表明MIO14和MIO15被配置成了UART接口引脚，它们与PS中的串口电路UART0相连接。



图 1.3.15 选中UART0

点击左侧的MIO Configuration页面，在右侧展开I/O Peripherals > UART0，可以看到更具体的引脚配置信息。其中MIO14作为RX引脚、MIO15作为TX引脚，如下图所示：



图 1.3.16 UART0的具体引脚配置

点击左侧的PS-PL Configuration页面，我们可以在这里设置UART0串口通信的波特率。在General目录下，可以看到UART0的波特率默认是115200。通过下拉按钮可以选择其他波特率，一般保持默认设置。



图 1.3.17 选择UART0的波特率

2-8 配置PS的DDR3控制器。
点击左侧的DDR Configuration页面，在右侧DDR Controller Configuration下的“Memory Part”一栏选择DDR的器件，XC7Z020的核心板选择MT41J256M16RE-125，XC7Z010的核心板选择MT41J128M16 HA-125。需要注意的是，我们在这里选择的型号并不是领航者核心板上的DDR3型号，而是参数接近的型号，或者说兼容的型号。其他的配置选项保持默认即可。



图 1.3.18 配置PS的DDR3控制器

2-9 配置PS的时钟。
点击左侧的Clock Configuration页面，该界面主要是配置ZYNQ PS中的时钟频率。比如输入时钟默认是33.33333Mhz，这与我们领航者核心板上的PS端输入时钟频率相同。对于CPU的时钟、DDR的时钟以及其它外设的时钟，我们直接保持默认设置即可。如下图所示：



图 1.3.19 配置PS的时钟

2-10 因为本实验是搭建ZYNQ的嵌入式最小系统，只需要使用ZYNQ中的PS端。因此我们将PS中与PL端交互的接口信号移除。
同样是在Clock Configuration页面，展开PL Fabric Clocks，取消勾选FCLK_CLK0，如下图所示：



图 1.3.20 去掉勾选FCLK_CLK0

点击左侧的PS-PL Configuration页面，然后在右侧展开General下的Enable Clock Resets，取消勾选其中的FCLK_RESET0_N。
另外在当前界面中展开AXI Non Secure Enablement下的GP Master AXI Interface，取消勾选其中的M AXI GP0 interface。如下图所示：



图 1.3.21 取消勾选FCLK_RESET0_N和M AXI GP0 interface

2-11 配置ZYNQ7 Processing System完成，点击“OK”。
返回到Vivado界面后，在Diagram中可以看到ZYNQ7 Processing System IP模块发生了变化，如图 1.3.22所示。 我们将其与图 1.3.11作对比可以发现，ZYNQ7 PS模块少了四个接口，这正是因为我们在配置ZYNQ7 PS的过程中移除了与PL相关的接口信号。



图 1.3.22 点击Run Block Automation

2-12 我们点击上图中箭头所指示的位置“Run Block Automation”，会弹出如下图所示的对话框：



图 1.3.23 完成对ZYNQ7 Processing System IP核的配置

在该界面中我们可以选择自动连接IP模块的接口，包括导出外部端口，甚至可以自动添加模块互联过程中所需的IP。在我们本次设计中只有一个IP模块，在左侧确认勾选processing_system7_0，然后点击“OK”。
此时ZYNQ7 PS模块引出了两组外部接口，分别是DDR和FIXED_IO，引出的接口将会被分配到ZYNQ器件具体的引脚上。大家也可以通过点击ZYNQ7 PS模块接口处的加号“+”，来展开这两组接口，观察其中都有哪些信号。如下图所示：



图 1.3.24 配置完成后的ZYNQ7 Processing System

2-12 本次实验不需要添加其它IP，直接按快捷键Ctrl+S保存当前设计。接下来点击下图箭头所指示的按钮，验证当前设计。验证完成后弹出对话框提示没有错误或者关键警告，点击“OK”，如下图所示：



图 1.3.25 验证设计

如果验证结果报出错误或者警告，大家需要重新检查自己的设计。
step3：生成顶层HDL模块
3-1 在Sources窗口中，选中Design Sources下的sysetm.bd, 这就是我们刚刚完成的Block Design设计。右键点击sysetm.bd，在弹出的菜单栏中选择“Generate Output Products”，如下图所示：



图 1.3.26 选择Generate Output Products

3-2 弹出“Generate Output Products”对话框，如下图所示：



图 1.3.27 设置Generate选项

在对话框中Synthesis Options选择Global；Run Setings用于设置生成过程中要使用的处理器的线程数，进行多线程处理，保持默认或设置为个人电脑处理器最大可使用线程数都可以，一般选择最大可使用线程数的一般。然后点击“Generate”来生成设计的综合、实现和仿真文件。
在“Generate”过程中会为设计生成所有需要的输出结果。比如Vivado工具会自动生成处理系统的XDC约束文件，因此我们不需要手动对ZYNQ PS引出的接口（DDR和FIXED_IO）进行管脚分配。
Generate完成后，在弹出的对话框中点击“OK”。
在Sources窗口中，点击“IP Source”标签页，可以看到Generate过程生成的输出结果。



图 1.3.28 block design生成的结果

3-3 在“Hierarchy”标签页再次右键点击system.bd，然后选择“Create HDL Wrapper”。



图 1.3.29 生成顶层模块

在弹出的对话框中确认勾选“Let Vivado manage wrapper and auto-update”，然后点击“OK”。



图 1.3.30 创建顶层HDL封装

创建完成后，Design Sources结构如下图所示：



图 1.3.31 生成system_wrapper.v顶层文件

system_wrapper.v为创建的Verilog文件，箭头所指的“品”字形图标指示当前模块为顶层模块。该模块使用Verilog HDL对设计进行封装，主要完成了对block design的例化，大家也可以双击打开该文件查看其中的内容。
另外我们在图 1.3.30中勾选了“Let Vivado manage wrapper and auto-update”，这样我们在修改了Block Design之后就不需要再重新生成顶层模块，Vivado工具会自动更新该文件。
step4：生成Bitstream文件并导出到SDK
如果设计中使用了PL的资源，则需要添加引脚约束并对该设计进行综合、实现并生成Bitstream文件。由于本次实验未用到PL部分，所以无需生成Bitstream文件，只需将硬件导出到SDK即可。
4-1 导出硬件。
在菜单栏选择 File > Export > Export hardware。



图 1.3.32 导出硬件

在弹出的对话框中，因为没有生成bitstream文件，所以无需勾选“Include bitstream”，直接点击“OK”按钮。



图 1.3.33 无需勾选“Include bitstream”

在上图中，因为选择了“Exort to ”，Vivado工具会在当前工程目录下新建一个文件夹，名为“hello_world.sdk”，它是我们接下来软件开发的工作空间。
在Export Hardware的过程中，工具会将硬件以一个ZIP压缩文件的形式导出到该工作空间中，文件名为“system_wrapper.hdf”。该文件包含了我们前面所搭建的硬件平台的配置信息，其后缀名.hdf的含义为“Hardware Definition File”，即硬件定义文件。
4-2 硬件导出完成后，在菜单栏中选择File > Launch SDK，启动SDK开发环境。如下图所示：



图 1.3.34 启动SDK开发环境

在弹出对话框中，直接点击“OK”，如下图所示：



图 1.3.35 设置工作空间

到这里，我们已经完成了ZYNQ嵌入式系统的硬件设计部分。接下来需要到SDK软件中进行应用程序开发，也就是软件设计部分。
1.4软件设计
在硬件设计的最后，我们启动了软件开发环境（SDK，Software Development Kit），如下图所示：



图 1.4.1 SDK开发环境界面

SDK打开后，主页面会显示硬件描述文件system.hdf的内容。如图 1.4.1所示，system.hdf标签页显示了整个PS系统的地址映射信息。
大家应该还记得，在启动SDK之前，我们将硬件以一个ZIP压缩文件（system_wrapper.hdf）的形式导出到软件的工作空间。在SDK启动时，该文件会自动解压，大家可以在图 1.4.1的左侧看到解压后的所有文件。其中，前四个文件（ps7_init_gpl.c、ps7_init_gpl.h、ps7_init.c和ps7_init.h）包含了Zynq SOC处理系统的初始化代码，以及DDR、时钟、pll和MIO的初始化设置信息。在初始化过程中，SDK使用这些信息去配置相应的模块，使得应用程序能够在PS上运行。
step5：在SDK中创建应用工程
5-1 在菜单栏选择File > New > Application Project, 新建一个SDK应用工程。



图 1.4.2 新建应用工程

5-2 在弹出的对话框中，输入工程名“hello_world”，其它选项保持默认即可，点击“Next”。



图 1.4.3 配置工程

5-3 选择工程模版Hello World，然后点击“Finish”。



图 1.4.4 选择工程模版Hello World

5-4 SDK创建了一个hello_world应用工程和hello_world_bsp板级支持包（BSP）工程。同时工具会自动对工程进行编译，并生成ELF文件“hello_world.elf”，如下图所示：




图 1.4.5 工程创建后的界面

另外工程创建完成后，SDK主界面会打开BSP工程目录下的system.mss文件。MSS是英文Microprocessor Software Specification的缩写，即微处理器软件说明。该文件包含BSP的操作系统信息、硬件设计中各个外设的软件驱动等信息。
5-5 双击打开hello_world/src工程目录下helloworld.c文件，可以看到源代码如下：

• 1 #include
• 2 #include "platform.h"
• 3 #include "xil_printf.h"
• 4
• 5 int main()
• 6 {
• 7 init_platform();
• 8
• 9 print("Hello World
  ");
• 10
• 11 cleanup_platform();
• 12 return 0;
• 13 }
  

复制代码

可以看到程序中主函数调用了3个函数，分别是init_platform()、cleanup_platform()和print()函数。我们将鼠标停留在各个函数名上，SDK就会显示该函数的声明。如果想查看函数的定义，可以按住Ctrl键不放，用鼠标点击相应的函数，就会跳转到其定义的地方。
init_platform和cleanup_platform函数定义如下：



图 1.4.6 init_platform和cleanup_platform函数定义

可以看到init_platform函数的作用是使能caches和初始化uart；cleanup_platform函数的作用是取消使能caches。实际上这两个函数在该工程中并没有启动任何作用，因为这两个函数是针对于特定平台如Microblaze的，对于我们使用的ZYNQ平台而言是不起作用的，所以main函数中只需包含第9行的print语句就可以了，出于平台的通用性和可移植性，此处我们保留这两个函数。
另外需要注意程序中打印字符串“Hello World”使用的是print()函数，而不是C语言里的printf()函数。print()函数是Xilinx定义的一个用于打印字符串的函数，调用该函数需要包含头文件“xil_printf.h”。
5-6 在我们修改并保存源文件后，SDK会自动对工程进行编译。编译进度可以在工具下方的控制台面板（Console）中进行查看，编译完成后控制台会显示信息“Finished building”，如下图所示：



图 1.4.7 编译完成

我们也可以在工具栏中点击“Build All”或通过快捷键Ctrl+B来编译工程，如下图所示：



图 1.4.8 编译工程

到这里我们已经完成了本次实验的软件设计部分。
1.5下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接，用于串口通信。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。如下图所示：



图 1.5.1 领航者ZYNQ开发板实物图

注意第一次连接领航者底板上的USB_232接口时，需要安装USB串口驱动。在开发板随附的资料中找到“6_软件资料/1_软件/CH340驱动(USB串口驱动)”文件夹，双击打开文件夹中的“SETUP.EXE”进行安装，驱动安装界面如下图所示。界面中提示INF文件为CH341SER.INF，我们不需要理会（CH341，CH340驱动是共用的），直接点安装即可。



图 1.5.2 安装USB串口驱动

step6：板级验证
6-1 在SDK软件的下方，找到SDK Terminal窗口。如果界面中没有找到该窗口，或者操作过程中把该窗口给关闭了，则可以通过在菜单栏中选择Window > Show View > Other，在Show View窗口中搜索添加SDK Terminal。



图 1.5.3 SDK软件自带的串口终端

如上图所示，在SDK Terminal窗口中点击右上角的加号“+”连接串口，并在弹出的窗口中对串口进行设置。设置的参数需要与硬件设计过程中配置的UART0保持一致，即波特率为115200，数据位为8位，停止位为1位。如下图所示：



图 1.5.4 设置UART串口

需要注意的是，在设置串口端口（Port）时，在下拉列表中可能会看到多个可选端口。我们需要选择与领航者底板上的串口所连接的端口，具体的端口号可在计算机设备管理器中查看。因为底板上使用的USB转串口芯片型号为CH340，因此在设备管理器中找到USB-SERIAL CH340所对应的端口，在我这台电脑上该端口号为COM12。如下图所示：



图 1.5.5 查看串口端口

6-2 下载程序。右键点击hello_world工程，在弹出的菜单栏中选择Run as > 1 Launch on Hardware (sysntem Debugger)，如下图所示：



图 1.5.6 下载程序
6-3 下载完成后，应用程序会将字符串“Hello World”通过ZYNQ PS端的串口模块UART0发送出去。在SDK Terminal窗口可以看到上位机接收到的字符串，如下图所示：



图 1.5.7 程序运行结果
程序成功打印出了“Hello World”字符串，说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。


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