FPGA的Zynq 7000学习–基于黑金AX7010开发板的Hello World 实验

/9月开学入手了黑金AX7010开发板，自己也没有学到很多，但是还是想一步一步记录自己的进步，所以开了博客，也想好好归纳归纳，让自己尽快成长起来，谢谢。/
大家学习C语言或者51单片机，相信也是从最基本的“Hello World实验”开始的。不过ZYNQ 7000又有一点不同，就是它是分为PL和PS两个部分，按道理我们应该先学习PL是什么？干什么用？怎么用？PS又是是什么？干什么用？怎么用？
但是我想，让大家先看到一个实验结果，相比会更加直观性，关于FPGA的相关知识点以及用到的原理有时间我会整理好，发出来。
现在，我们将在AX7010/AX7020开发板上创建一个简单的ZYNQ嵌入式系统（软核），然后我们将会使用SDK创建一个简单的软件应用程序，并下载到ZYNQ的ARM处理器中，实现串口的字符打印。
开始吧！
硬件平台：黑金AX7010开发板
vivado版本：Vivado 2017.4
SDK平台：SDK 2017.4
注：本实验只用到PS（ARM）部分，Vivado部分只是用来配置PS部分的引脚

1、 Vivado工程创建

1.1：打开Vivado的界面，在Vivado开发环境中双击Create New Project图标，创建一个新的工程。
1.2：弹出一个Vivado工程向导，点击Next按钮。

1.3：在弹出的对话框中输入工程名和工程存放目录，我们这里取一个helloworld的工程名。点击Next按钮(注意：在create project subdirectory前面打勾，说明工程文件会在工程路径下新建一个工程名project name的文件夹下，不打勾就是工程会直接在project location的文件夹下)。
1.4：在下面的对话框中默认选择RTL Project, 即生成RTL寄存器转换级的工程（具体的知识点以后会更新，现在看到别方），点击NEXT。

1.5：添加源文件，即RTL的.v文件，因为我们这次只是演示，没必要自己写.v文件，所以暂时不选，点击NEXT。
1.6：添加约束文件，即.sdc文件，也暂时不选，点击NEXT。
1.7：在接下来的对话框选择所用的FPGA器件，以及进行一些配置。FPGA芯片型号一定要跟开发板上的型号一致，我这里是黑金的AX7010。首先在Family里选择Zynq-7000, Speed grade选择-1, Temp grade选择C,在Package选择clg400,然后在下面的列表中选择xc7z010clg400-1。(AX7020用户选择xc7z020clg400-2)。

1.8：再次确认一下板子型号有没有选对,没有问题再点击“Finish”完成工程创建。
1.9：工程创建后，图形化界面如下图所示，这就是Vivado的主界面了，一般的IP设计和.v文件的设计就是在这界面进行的：

2、建立原理图

2.1 ZYNQ的嵌入式系统开发一般有原理框图的形式来设计，这样硬件的连接看起来会更加直观。点击“Create Block Design”按钮来添加原理图设计文件。

2.2：“Design name ”这里不做修改，保持默认 “design_1 ”，这里可以根据需要修改，不过名字要尽量简短，否则在 Windows 下编译会有问题。

2.2：点击“ Add IP ”即“+”快捷图标。

2.3：搜索“ zynq ”或者其他“system”等关键字，在搜索结果列表中双击 “ZYNQ7 Processing System”。（不要选择后面带BFM（总线功能模型）的，带BFM的IP 为先前的IP处理器版本）。

2.4：双击 Block 图中的“ processing_system7_0 ”模块，配置相关参数。

2.5：在“ PS PL Configuration ”选项中展开所有项目。
其中Page Navigator界面下有8个子项，分别为Zynq Block Design, PS-PL Configuration,Peripheral I/O Pins, MIO Configration, Clock Configuration, DDR Configuration, SMCTiming Calculation, Interrupts。这些页面选项是针对ZYNQ的不同硬件模块的配置，其中PS_PL页面提供了PS到PL的相关接口配置信息以及PS部分一些配置信息；Peripheral I/O Pins页面主要是对一些通用外设接口的配置；MIO Configruation页面主要是对MIO已经EMIO的分配控制；Clock Configruation页面主要是对PS端时钟资源的配置和管理；DDR Configration页面主要是对DDR控制器一些参数的配置；Interrupts页面主要是对中断进行配置管理。

2.6：取消“ M AXI GP0 interface ”接口，这个接口可以扩展 PL 端的 AXI 接口外设，所以 PL 如果要和 PS 进行数据交互，都要按照 AXI 总线协议进行， xilinx 为我们提供了大量的 AXI 接口的 IP 核。

2.7：UART配置
从原理图中我们可以找到串口连接在 PS 的 MIO 48 MIO 49 上，所以在“ Peripheral I/OPins ”选项中使能 UART1 MIO 48 MIO49 Bank 0 电压选择“ LVCMOS3.3V Bank 1 电压选择“ LVCOMS 1.8 V ”，本实验仅仅使用了一个串口功能，这里就不再使用其他设备。

2.8：时钟配置
在“ Clock Configuration ”选项卡中我们可以配置 PS 时钟输入频率，这里默认是33.333333 ，和板子上一致，不用修改 CPU 频率默认 666.666666Mhz ，这里也不修改。同时 PS 还可以给 PL 端提供 4 路时钟，频率可以配置，这里不需要，所以保持默认即可。

2.9：DDR3配置
在“ DDR Configuration ”选项卡中可以配置 PS 端 ddr 的参数， AX7010 配置 DDR3 型号为“MT41J128M16 HA 125” AX7020 配置 DDR3 型号为“ MT41J256M16 RE 125” 这里ddr3 型号并不是板子上的 ddr3 型号，而是参数最接近的型号。 “Effective DRAM BusWidth ”，选择 32 Bit。

2.9：点击“ Run Block Automation vivado 软件会自动完成一些导出端口的工作。

2.10：点击“ OK”。

2.11：点击“ OK ”以后我们可以看到 PS 端导出一些管脚，包括 DDR 还有 FIXED_IO ，按键 Ctrl +s ”保存设计。

2.12：选择 Block 设计，右键“ Create HDL Wrapper… 创建一个 Verilog 或 VHDL 文件。

2.13：保持默认选项，点击“ OK”。

2.14：展开设计可以看到 PS 被当成一个普通 IP 来使用。

2.15：选择 block 设计，右键“ Generate Output Products”

2.16：点击“ Generate”。

2.17：在菜单栏“ File --> Export --> Export Hardware…”导出硬件信息，这里就包含了 PS 了的配置信息。

2.18：在弹出的对话框中点击“ OK ”，因为实验仅仅是使用了 PS 的串口，不需要 PL 参与，这里就没有使能“ Include bitstream”（将来比较复杂的设计就要添加进来了）。

3、SDK调试部分

3.1：点击 Vivado 菜单“ File --> Launch SDK ”，启动 SDK。

3.2：启动 SDK 后我们会看到一个文件夹，有一个名为 "system.hdf ”文件，这个文件就包含了Vivado 硬件设计的信息，可以给软件开发使用，也可以看到 PS 端外设的寄存器列表。

3.3：在 SDK 的菜单“ New --> Application Project ”，建立一个 APP 工程。

3.4：“Project name ”填写 “hello ”，其他默认，点击 Next。

3.5：模板选择“ Hello World ”，点击 Finish。

3.6：可以看到 SDK 创建了一个“ hello ”目录，还有一个 hello_bsp ”的目录，在 hello_bsp目录中可以找到很多有用的信息，其中有“ BSP Documentation ”包含了一些 PS 外设的 API说明。

3.7：双击“ system.mss ””，还可以看到有些 PS 外设还提供了例程，这是用来了解学习这些外设的第一手资料。

3.8：连接 JTAG 线到开发板、 UART 的 USB 线到 PC。
3.9：使用 PuTTY 软件做为串口终端调试工具， PuTTY 是一个免安装的小软件（其他的串口软件也可以的，只要波特率设置为默认的115200就行）。

3.10：选择 Serial Serial line 填写 COM3 Speed 填写 115200 COM3 串口号根据设备管理器里显示的填写，点击 Open。

3.11：在上电之前最好将开发板的启动模式设置到 JTAG 模式。

3.12：给开发板上电，准备运行程序，开发板出厂时带有程序，这里可以把运行模式选择 JTAG模式然后重新上电。选择“ hello ”，右键，可以看到很多选项，本实验要用到这里的Run as ”，就是把程序运行起来 Run as ”里又有很对选项，选择第一个 Launch onHardware(System Debuger) Debuger)”，使用系统调试，直接运行程序。

3.13：这个时候观察 PuTTY 软件，可能有输出显示，也可能没有输出。

3.14：为了保证系统的可靠调试，需要添加一个配置，右键“ Run As --> Run。

3.15：选择“ Reset entire system ”复位整个系统，如果系统中还有 P L 设计，还必须选择Program FPGA ”，再次点击 Run。

3.16：点击“ OK ”，确认重新运行。

3.17：这次就可以看到熟悉的“ Hello World ”显示出来了。

3.18：除了“ Run As ”，还可以 Debug As ”，这样可以设置断点，单步运行。

3.19：进入 Debug 模式。

3.20：和其他 C 语言调试模式一样，可以逐步运行、设置断点等。
3.22：右上角可以切换 IDE 模式。

至此，整个实验就完成了。本次实验通过一个简单的
Hello World 讲解了 SDK 的使用， SDK 拥有很强大的功能，不能一
一讲解，在我们不断的使用中逐渐掌握。
本次实验主要是依照黑金的教程来做，黑金基础教程只是第一步，这第一步一定得做好，每一步都走好，尽量掌握每一步为什么要这么做，硬件设计就是积累的过程，慢慢学吧，有疑问的欢迎一起交流，谢谢！