让吃灰的“矿板”再发光：小试FPGA开发流程

Xilinx Zynq系列是带有ARM Cortex-A系列CPU核的FPGA。前几年流落到二手市场上的“矿板”就以Zynq 7010为核心，可以说是最廉价的Zynq实验平台了。淘个这样的板子，再另外找个Xilinx的JTAG就可以玩FPGA和ARM Linux。 因为玩的人多，网上有资料，还有别人做过的扩展板可以参考。本坛大佬们早就玩过了。我三年前就买了一块，但一直是闲置状态，直到现在才想来搞搞。

这块EBAZ4025板子接上12V电源就可以工作了，有RJ45网口，板子上有焊盘可以自己焊上TF卡座、UART接口、JTAG口，就相当于一个完整的ARM Linux板子（板载DDR3 SDRAM 256MB，NAND Flash 128MB），还有若干FPGA I/O引出来到双列排针座，方便自己分配用途。

EBAZ4025通电以后上面的Linux就启动了，通过UART连接可以看到uboot和Linux输出的信息。我是要把它作为FPGA开发来用的，所以先直接焊上JTAG排针连接调试器，电脑软件可以识别到JTAG 扫描链上有两个设备，一个是FPGA，一个是ARM CPU.

Zynq的内部分为两个系统，一个叫PS，就是ARM CPU以及外设，包括DDR内存控制器、DMA等等这些ARM运行依赖的部件；另一个系统叫PL，就相当于传统的FPGA. 这两部分之间有很多种方式可以通信，就可以比结合FPGA和ARM的各自优点来处理复杂的任务了。

Zynq 7000系列的IO引脚也分为PS和PL各自管理的的，PS部分引脚有固定的用途，和开发FPGA时写引脚约束不同。根据矿板的电路图了解到，两个LED是连接到PL部分的，而UART直接接的是PS的MIO.

学习Zynq的开发可以参考网上的教程。这玩意门槛稍微高一点，先得下载Vivado安装，为了开发ARM的程序还要安装SDK，都是很庞大的软件。如果熟悉了的话Vivado操作起来也很快，但头几次么……

先创建一个工程，选择器件型号，这和其它FPGA开发思路是一样的。

按照教程，然后是Create Block Design，

添加IP——ZYNQ7 Processing System. 这种图形化的block design方式我最初学FPGA的时候就用，直观容易理解。

加上这个IP之后框图上就出现了一个模块，代表PS部分。

在图上双击这个ZYNQ Processing System模块，就打开配置窗口，进行时钟、IO、内存等设置了。这些需要根据矿板上的资源和连接关系来定。

首先这里有个PS部分的结构图，可以了解有那些片上外设可以供CPU用的。第一个实验为了让程序能打印输出，需要用UART。

看看时钟配置，默认的输入时钟33.333MHz 和矿板一致，就不用调整了。CPU和DDR的时钟频率用默认的不会有问题。PS部分给PL部分提供的时钟是实验需要的，默认输出一个50MHz.

DDR的配置，需要根据实际板子上的芯片调整一下，128M x16-bit. 我不确定SDK编写的程序是要在DDR内存中运行还是PS的片上RAM中运行，所以DDR还是要配置的。

MIO的配置，是为了要给UART分配引脚。根据电路图，UART是连接在A16和F15这两个脚的，查Xilinx手册得知是PS_MIO24和PS_MIO25，就在MIO Configuration中配置使用UART1（因为UART0没有MIO 24,25的映射）。

配置好之后Run Block Automation，自动生成必要的接口。

教程上说配置好之后要连一根线，把FCLK_CLK0和M_AXI_GP0_ACLK连起来。前者是Zynq PS输出的时钟（内部PLL从晶振给的时钟生成，可以给PL用），后者我理解是AXI总线的时钟。这里并不使用总线，我觉得不连也没关系。

接下来，按照教程说的是要Create HDL Wrapper，注意对话框中选择允许用户修改，不然自己编辑的会被覆盖掉。

做这一步的目的是把PS外面再包上一层，这样就方便加入自己编写的逻辑了。下面我要编写一点逻辑来点LED，就直接加到 system_wrapper.v 里面去。

注意Create HDL Wrapper之后，系统的层次结构变化了，顶层名称从design_1变成了design_1_wrapper.

由于矿板的PL是没有带晶振的（有空焊盘没装），要看FPGA跑起来的效果需要外接时钟信号到排针上面。实际在已经创建的PS模块上，FCLK_CLK0就是一个时钟信号，现在我要把它给PL用，还需要创建一个port把它引出来，不然顶层看不到。

在图上创建输出port, 命名叫PS_CLK0, 连接到时钟信号上。保存之后，design_1.v文件（自动生成的）并没有体现新的输出端口。于是我尝试一下“Generate Block Design”操作，看看是否更新。

结果这样是能重新产生design_1.v的:

然后我就在顶层的design_1_wrapper.v里面加自己的东西了：先加上两个输出口给矿板上的红绿LED.

再写一个计数器，利用PS引出的时钟计数，让LED能闪起来。

这样第一个实验工程的逻辑就设计完了，可以进行FPGA综合、实现和生成二进制码的流程了。

这里还缺少一件事情：矿板上的 LED6 (W13, W14引脚)是连接在FPGA IO上的，不是PS MIO，因此是像普通FPGA那样分配引脚的方式。而DDR、MIO则是固定引脚，不需要自己选。假如LED是接在MIO上，那么我们就要用软件去选择GPIO访问来点亮了，不属于FPGA逻辑部分。

在综合之后，可以查看design，然后手工分配LED使用的引脚。也可以直接写一个约束文件(.xdc)把引脚约束用Tcl命令写上去。

在最后Generate bitstream 生成bit文件之前看一下报告，确认引脚的分配是生效了的。

最后得到了.bit文件，就可以连接好JTAG之后，打开Hardware Manager, 将生成的design_1_wrapper.bit下载到FPGA中了。这个操作和Xilinx Spartan/Artix系列是相似的。

若此时看到了LED闪烁，说明PL部分的逻辑是工作的了。

此外，下载bit文件之后，从UART终端看到的Linux打印信息还在活动，说明PL部分的重配置没有影响PS的运行。关于PL和PS的关系我的了解还不够多。

如果单纯把Zynq当成FPGA来用，不使用PS部分，也是可以的。注意，这样也就不能用PS提供的时钟了，需要从PL的引脚输入时钟信号。开发工具用Vivado和ISE都可以，我另外进行过尝试。