Zynq-7010/7020异构多核SoC工业核心板硬件说明书

本期分享Zynq-7010/20工业开发板（双核ARM Cortex-A9+A7）的参数规格资料，其中包含软硬件、原理图、工业温度等均有。

测试板卡是一款基于Xilinx Zynq-7000系列XC7Z010/XC7Z020高性能低功耗处理器设计的异构多核SoC工业级核心板，处理器集成PS端双核ARM Cortex-A9 + PL端Artix-7架构28nm可编程逻辑资源。核心板内部集成USB PHY芯片，通过邮票孔连接方式引出千兆网口、USB、CAN、UART等通信接口，可通过PS端加载PL端程序，且PS端和PL端可独立开发。核心板经过专业的PCB Layout和高低温测试验证，稳定可靠，可满足各种工业应用环境。

硬件资源

SOM-TLZ7x-S核心板板载CPU、ROM、RAM、USB PHY、晶振、电源、LED等硬件资源，并通过邮票孔连接方式引出IO。

图 1 核心板硬件框图

图 2

CPU

核心板CPU型号兼容XC7Z010-2CLG400I/XC7Z020-2CLG400I，CLG400封装，工作温度范围为-40°C~100°C，引脚数量为400个，尺寸为17mm*17mm。

CPU功能框图、资源列表如下。

图 3 Zynq-7000处理器功能框图

图 4 Zynq-7000处理器资源列表

ROM

SPI NOR FLASH

核心板通过PS端的QSPI0(CS0)总线连接工业级SPI NOR FLASH，型号兼容CYPRESS公司的S25FL256S和旺宏电子(MXIC)的MX25L25645G，容量为256Mbit。

eMMC

核心板通过PS端的SDIO1总线连接工业级eMMC，采用4bit数据线。

eMMC型号兼容Micron的MTFC4GACAJCN-4M IT(4GByte)和MTFC8GAKAJCN-4M IT(8GByte)、SkyHigh的S40FC004(4GByte)、SAMSUNG的KLM8G1GEUF-B04%(8GByte)，以及江波龙(Longsys)的FEMDRW008G-88A39(8GByte)。

RAM

核心板通过PS端的DDR总线连接2片工业级DDR3，每片采用16bit数据线，共32bit，容量支持512MByte/1GByte。

DDR3型号兼容Micron的MT41K128M16(256MByte)和MT41K256M16(512MByte)，以及ISSI的IS43TR16128DL(256MByte)和IS43TR16256BL(512MByte)，支持DDR3-1066工作模式(533MHz)。

晶振

核心板采用2个工业级晶振Y1和Y2。

Y1为有源晶振，时钟频率为33.33MHz，频率稳定度为±20ppm，通过PS_CLK引脚为PS端提供系统时钟源。

Y2晶振时钟频率为24MHz，频率稳定度为±30ppm，为PS端USB PHY提供时钟源。

电源

核心板采用工业级分立电源芯片，满足系统的供电要求和CPU上电、掉电时序要求，采用5V直流电源供电。

LED

核心板板载5个LED。其中LED4为电源指示灯，系统上电完成后点亮；LED5为PL端DONE灯，当PL端初始化完成后会点亮；LED1和LED2为PS端用户可编程指示灯，LED3为PL端用户可编程指示灯，高电平点亮。

图 5 用户可编程指示灯与电源指示灯

图 6 PL端DONE灯

USB PHY

核心板板载1个工业级USB 2.0 PHY，型号为USB3320C-EZK，支持USB HOST、Device和OTG功能。PS端的8位并行数据接口USB0 ULPI通过PHY芯片转换成USB高速收发总线引出至邮票孔。

图 7

外设资源

核心板通过邮票孔引出的PS端主要外设资源、XADC资源如下表所示。大部分PS端外设均可通过EMIO方式使用PL端IO进行引出。

表 1

引脚说明

核心板CPU型号兼容XC7Z010和XC7Z020，其中XC7Z010引出PL端3个单端IO，48对差分对IO，共99个IO；XC7Z020引出PL端4个单端IO，60对差分对IO，共124个IO。XC7Z010和XC7Z020的PS端均引出31个PS端的单端IO。

备注：部分芯片引脚号后面括号标注NC的（详情见引脚列表），表示CPU为XC7Z010的核心板未引出该信号，而CPU为XC7Z020的核心板则不受影响（即引出该信号）。

引脚排列

核心板邮票孔引脚采用2x 40pin + 2x 60pin分布，共200pin。核心板左下角为第1pin，以逆时针方向递增至200pin，各个边依次为CON0A、CON0B、CON0C、CON0D。

图 8 核心板引脚排列示意图

电气特性

工作环境

表2

功耗测试

表 3

备注：功耗基于TLZ7x-EasyEVM-S评估板测得。功耗测试数据与具体应用场景有关，测试数据仅供参考。

状态1：评估板不接入外接模块，PS端启动系统，不执行额外应用程序；PL端运行LED测试程序。

状态2：评估板不接入外接模块，PS端启动系统，运行DDR压力读写测试程序，2个ARM Cortex-A9核心的资源使用率约为100%；PL端运行IFD综合测试程序。

图 9 状态2 PL端资源使用率

热成像图

核心板未安装散热片与风扇，在常温环境、自然散热、“状态2”下稳定工作10min后，测试核心板热成像图如下所示。H为最高温度，S为平均温度。

备注：不同测试条件下结果会有所差异，数据仅供参考。

图 10

请参考以上测试结果，并根据实际情况合理选择散热方式。

机械尺寸

表4

图 11

图 12

元器件最高高度：指核心板最高元器件水平面与PCB正面水平面的高度差。核心板最高元器件为功率电感(L1/L2/L3/L4)。

底板设计注意事项

最小系统设计

基于SOM-TLZ7x-S核心板进行底板设计时，请务必满足最小系统设计要求，具体如下。

电源设计说明

核心板电源设计说明

核心板电源电路为VCCBRAM、VCCINT提供1V供电；为VCCPAUX、VCCO_MIO1_501、VCCPLL提供1.8V供电；为VCCO_MIO0_500、VCCO_0提供3.3V供电；为VCCO_DDR_502提供1.5V供电。

图 13

核心板采用工业级电源芯片将5V分别转成1V、1.8V、3.3V、1.5V，且通过电源芯片的EN和PG引脚进行控制上电时序，顺序依次为：1V -> 1.8V -> 3.3V & 1.5V &其他BANK电源。系统上电时，通过3.3V电源的PG信号控制PS_POR_B_500，以满足PS_POR_B_500在各路PS供电电源上电过程中处于低电平状态的要求。

备注：系统掉电时，通过电压监测芯片实现PS_POR_500在VCCINT掉电过程中处于低电平状态。

核心板主输入电源

VDD_5V_MAIN为核心板的主供电输入，输入电源功率建议按最大10W设计。

备注：由于VDD_5V_MAIN需满足评估底板其他5V外设接口的供电需求，因此评估板采用15W进行设计。

图 14

为保证VDD_5V_MAIN的电源稳定，底板设计时请参照评估板原理图，在靠近邮票孔VDD_5V_MAIN电源输入引脚位置放置储能、滤波电容。

图 15

XADC电源

XADC在核心板内部已设计1.8V供电，使用CPU内部参考电源。

VCCBATT电源

VCCBATT电源在核心板内部已设计1.8V供电，设计时无需提供额外供电给该引脚，默认悬空处理即可。

系统启动配置

核心板PS端BOOT SET引脚为MIO[8:2]，说明如下图所示。其中BOOT SET引脚与QSPI0总线存在复用关系，MIO[8:7]配置与BANK 0、BANK 1电源电压有关，请保证BOOT SET引脚在上电初始化过程中不受外接设备的影响，否则将会导致PS端无法正常启动及核心板功能异常。

图 16

BOOT SET引脚(MIO3、MIO6、MIO7、MIO8)在核心板内部已进行上下拉配置，详细配置说明请查看“引脚上下拉说明”小节。底板BOOT SET引脚上拉电源需使用VDD_3V3_BOOT以保证正确读取BOOT SET引脚的电平状态。设计系统启动配置电路时，请参考评估底板BOOT SET部分电路进行相关设计。

图 17

系统复位信号

PS_SRST_B_501

PS_SRST_B_501为系统复位输入引脚，使用该信号对系统进行复位时，会复位除调试环境外的所有功能逻辑，PL端逻辑也会被复位。

PS_SRST_B_501信号在核心板已上拉，详细配置说明请查看“引脚上下拉说明”小节，在系统启动过程中拉低该引脚会导致系统无法启动，默认情况悬空处理即可。

图 18

PS_POR_B_500

PS_POR_B_500为PS端Power On Reset输入引脚，该复位信号不但复位所有寄存器，还将复位所有调试环境。

图 19

核心板内部已对PS_POR_B_500设计上下电控制电路，底板无需针对该引脚进行相关设计。

PORn_O

PORn_O信号为核心板电源复位输出，将会在核心板上电过程中一直保持低电平，可使用该信号作为评估底板各部分功能的复位引脚。

PROGRAM_B

PROGRAM_B信号用于复位PL端逻辑。核心板内部已上拉4.7K电阻至3.3V电源，默认情况悬空处理。

其他配置信号

BANK 34中的PUDC_B为PL端IO启动上拉使能配置引脚，在核心板内已上拉，详细配置说明请查看“引脚上下拉说明”小节。

图 20

其他设计注意事项

保留Micro SD卡接口

评估底板通过SDIO0总线引出Micro SD卡接口，主要用于调试过程中使用Linux系统启动卡来启动系统，或批量生产时可基于Micro SD卡快速固化系统，底板设计时建议保留此外设接口。

保留UART接口

评估底板将PS端和PL端的调试串口引脚通过CP2105芯片引出至Micro USB接口。PS端调试串口为UART1，PL端调试串口TX与RX引脚分别为F/D19/IO_L4P_T0_35/ADJ、F/D20/IO_L4N_T0_35/ADJ。底板设计时建议PS端保留UART1作为系统调试串口。

保留JTAG接口

评估底板引出14pin JTAG接口，为便于系统的调试，底板设计时建议保留此接口，且JTAG接口信号走线长度要求尽可能短。

XADC电路设计

核心板引出了XADC采样通道：DXP/N、VP/VN、AD0P/N~AD15P/N。设计需注意：

1. XADC使用内部参考电压，VREFP_0和VRFN_0已连接至GND。VCCADC_0已设置为1.8V供电。
2. XADC接口支持两种模式输入，unipolar模式支持幅值为0~1V信号输入，bipolar模式支持幅值为-0.5~0.5V输入，输入信号请勿超过以上范围，否则可能会损坏核心板。
3. 如无需使用DXP/N、VP/VN通道，请将DXP_0_TMP、DXN_0_TMP、VP_0_ADC/VN_0_ADC引脚接地。