PYNQ上手笔记 | ②PL端和PS端的独立开发

在上一篇中提到，Pynq是为了降低开发人员的门槛，但是作为一个学习嵌入式开发的学生，当然要一步一个脚印打好基础，所以选择从Zynq入手学习，等跑起来Linux系统再运用Python开发也不迟，知其然也知其所以然，开发效率更高，所以接下来的几篇都是关于Zynq的，如果想直接玩Pynq可直接跳过，毫无影响。

1.Zynq的架构

在开始实验之前对Zynq芯片有一个基本的认识，如果想深入了解关于Zynq的理论部分，推荐参考The Zynq Book，有英文版和中文版，在此对于Zynq的理论浅尝辄止，不做深究，重点放在实验应用上。

Zynq中包含两大功能块：PS部分和PL部分。

• PS部分指Processing System，一个基于双ARM Cortex A9内核的处理系统，其中集成了内存存储器和外部存储器接口，大量的外设：GPIO、UART、SD/SDIO、IIC、SPI、以太网、CAN等等接口；
• PL部分指Programmable Logic，基于Xilinx 7系列架构的可编程逻辑单元，通过PL部分可以为ARM定制很多外设，这也是Zynq的一大优点。

Zynq中虽然包含PS端和PL端，但是整个设计是以ARM处理器为中心的，PS端的ARM内核可以独立于PL端运行，值得注意的是，虽然PL端也可以独立于PS端运行，但是PL的配置是由PS端完成的，所以不能采用传统的固化FLASH的方式固化PL端程序。 PS端和PL端通信是通过AXI接口协议连接，这个协议是AMBA的一部分，是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，对这个总线不用进行太深的研究，在后续的实验中可以看到，Xilinx已经提供了大量的关于AXI总线ip核供我们调用。

2.获取Pynq-Z2开发板资料

实验所需Pynq-Z2开发板的全部资料都可以在TUL官网下载到：

• TUL PYNQ-Z2产品公告（PDF）
• PYNQ-Z2用户手册（PDF）
• 原理图（PDF）
• Board files Board file包含了Pynq-Z2开发板上PS端所有的配置，用法在PS独立实验中提及。
• XDC 约束文件

3.Zynq中PL端的独立运行

3.1.实验目标

配置PL端使板载4个LED闪烁

3.2.实验步骤

实验具体步骤参考 ALINX_ZYNQ开发平台基础教程V1.02 第四章：PL的“Hello World”LED实验，需要注意的有以下几点：

3.2.1.引脚约束

首先新建一个引脚约束文件后，将之前所下载的Pynq-Z2开发板的引脚约束文件中的内容拷贝过来，将led和时钟相关内容取消注释，注意端口名称要对应：

3.2.2.下载比特流

PL端的配置需要PS端配置，所以在这里我们只能使用JTAG方式下载测试程序，并且需要将Pynq-Z2开发板的启动方式切换为JTAG方式：将右上角的BOOT选择端子连接最右边两个引脚，选中JTAG方式。

3.3.实验现象

3.3.实验总结

Zynq中PL端的开发和FPGA芯片（Artix-7）的开发流程完全一样，但是只能在独立使用P端的时候，只能使用JTAG方式下载。

3.4.实验扩展

• 驱动板载的两颗RGBled
• ip核的使用

4.Zynq中PS端独立运行

4.1.实验目标

独立运行PS端，通过USB线连接的UART0串口（）输出“Hello, world! ”

4.2.实验流程

实验具体步骤参考 ALINX_ZYNQ开发平台基础教程V1.02 第六章：体验ARM，裸机输出“Hello World”实验 ，需要注意的有以下几点：

4.2.1.使用Boardfile新建Vivado工程

在第2节中获取Pynq-Z2开发板的Board file文件，这个文件包含了Pynq-Z2开发板上PS端的所有配置，所以我们接下来添加使用这个文件来代替 ALINX_ZYNQ开发平台基础教程V1.02 中手动配置PS端的过程：

4.2.1.1.添加board file文件

之前下载的boardfile文件夹中包含pynq-z2文件夹，将其复制[vivado安装目录]/2018.1/data/boards/board_parts/zynq目录下，如图：

4.2.1.2.新建基于Pynq-Z2开发板的工程

所有步骤都和之前新建工程一样，只是在选择Default Part页面不一样，如下：

之后会出现开发板相关信息，再次检查是否正确，然后Finish

在这里插入图片描述

4.2.2.创建Block Design，添加IP，vivado自动导出端口

创建完Block Design之后，向其中添加zynqIP核，如下图所示，要注意，这个zynqIP核只是一个独立的IP核，并没有进行任何设置和点击，因为工程是基于pynq-z2开发板创建的，已经包含ps端配置信息，所以直接点击Run Block Automation，Vivado就会自动将这个zynqIP和的DDR和FIXED_IO接口与PS端的接口进行对应连接，连接后如图所示，然后保存：

在这里插入图片描述

自动连接完成之后双击ZynqIP核即可看到所有配置已经自动完成了，我们使用的UART0也已配置完成，这里只是查看，不作任何修改：

然后选择Tools -> Validate Design或者按下F6验证设计：

这是因为之前自动导出端口时只配置了DDR和FIXED_IO，设计里没有使用AXI 接口GP0相关IP核，所以没有自动配置时钟，手动连线：

再次验证，无错误！

4.3.实验结果

本实验是串口输出"Hello World!\n\r"，所以查看方式有三种：

4.3.1.SDK Terminal

SDK中自带串口终端，非常方便，点击按钮添加串口

运行程序后即可看到结果：

4.3.2.外部串口终端

此处使用Xshell进行查看：

在这里插入图片描述

4.4.实验总结

Zynq中PS端的使用包含两部分：

• 硬件设计
• 软件设计

在设计硬件的时候都是基于IP核进行设计的，ARM处理器内核和Zynq7 Processing IP核相对应，在设计完成之后通过Vivado进行端口之间的自动连接，设计完成后到处SDK所需要的硬件文件，转入软件设计； 软件设计时和普通ARM内核处理器的开发相同，采用C语言开发，并无多大差异，详细细节可以参考Xilinx文档和例程。

4.5.实验扩展——printf的测试

printf在嵌入式开发中是一个很常用的函数，通过如下代码进行测试：

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);
}

测试结果如下：