(金鼠纳福)领航者ZYNQ开发板评测:可以是最好的Zynq-7000学习板之一
发布时间:2019-12-03
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(金鼠纳福)领航者ZYNQ开发板评测:可以是最好的Zynq-7000学习板之一
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相信大家对于赛灵思推出的Zynq-7000可编程Soc系列产品并不陌生,这款大有“神U”之名的SoC,开创性的将CPU和FPGA可编程技术结合集成在单芯片上,高性能的处理能力,搭配灵活的可编程配置,成为目前FPGA技术发展的一个重要方向,目前该系列的产品已经成为很多嵌入式应用领域的绝佳选择,包括小型蜂窝基站、多摄像头驾驶员辅助系统、工业自动化机器视觉、医疗内窥镜和2K/4K 超高清电视等,同时,市面上也出现了各种成熟的搭载Xilinx Zynq-7000 可编程SoC的FPGA开发板,今天电路城要给大家推荐的是其中正点原子推出的一款领航者ZYNQ开发板,相对于其它ZYNQ开发板,领航者有什么不同呢?又有何优势或者劣势呢?下面我们一起来看下。

领航者ZYNQ开发板开箱&硬件

一如既往的黑色包装,这可能是正点原子面向高端系列开发板的特色包装,之前评测过的Alpha开发板同样是这样的包装。

打开包装盒,里面的配件非常,甚至说笔者还额外拿到了一款4.3英寸的电容触摸屏,不是标配,不在包装盒内。

包装盒内所有的配件整整齐齐,12V/1A的电源适配器,FPC屏幕连接线,MicroSD卡以及读卡器,额外的编程下载调试器,串口线,两根miniUSB线以及两根杜邦线等。

不过领航者ZYNQ开发板真是延续正点原子那种实用朴素的风格,毫不掩饰的跟他们自家所有系列的板卡一样的风格,相比包装盒,板卡本身看起来比较素朴。同样,开发板采用核心板+底板的构造,而从实际器件的型号来看,笔者手上的这款是基于赛灵思的ZYNQ-7010系列的FPGA,正点原子还有另一款更高规格型号(zynq-7020)可选。

领航者ZYNQ开发板所有的外设资源和接口基本都布局在板子的正面,PCB布局十分合理,同时也最大化的利用了PCB本身的空间。

开发板背面只有一个扬声器和一个MicroSD卡座接口。

下面是领航者ZYNQ开发板底板上的资源,领航者 ZYNQ 开发板的外设十分丰富,把 ZYNQ 的内部资源发挥到了极致,同时扩充了丰 富的接口和功能模块,整个开发板显得十分高端和大气。 开发板的外形尺寸为 120mm*160mm。

 

领航者ZYNQ开发板底板资源如下:

  • 1个有源蜂鸣器
  • 1个PL复位按键
  • 2个PL LED
  • 2个PL功能按键
  • 2个PS LED
  • 2个PS功能按键
  • 1个电容触摸按键
  • 1路CAN接口,CAN收发器采用TJA1050芯片
  • 1路RS232串口(母)接口,采用SP3232芯片
  • 1路RS485接口,和RS232复用接口
  • 1个标准的RGB888 TFT-LCD接口
  • 1个XADC接口
  • 1个OLED/摄像头模块接口
  • 1个20x2扩展口,共36个扩展IO口
  • 1个EEPROM芯片,采用AT24C64,容量:64Kbit(8K字节)
  • 1个RTC实时时钟,采用PCF8563芯片
  • 1个RTC后备电池座,提供RTC实时时钟备用电池
  • 1个ATK MODULE接口,支持正点原子蓝牙/GPS/UART等模块
  • 1个BOOT模式选择开关
  • 1个电源指示灯
  • 1路音频输出接口
  • 1路音频输入接口
  •  1个高性能音频编解码芯片WM8960,支持录音、音频输入和音频输出
  • 1个录音头(MIC/麦克风)
  • 1个扬声器接口,支持板载扬声器或者外扩喇叭输出
  • 1路HDMI输出接口
  • 4路USB HOST接口
  • 1路USB SLAVE接口
  • 14-Pin JTAG接口,提供ZYNQ的下载和调试功能
  • 3路3.3V电源输出扩展口和3路5V电源输出扩展口,方便给外扩模块供电
  • 1个电源开关,控制整个开发板的电源
  •  1个直流电源输入接口(输入电压范围:DC6~16V)
  • 1个PL端千兆以太网接口(RJ45)
  • 1个PS端千兆以太网接口(RJ45)
  • 1个MICRO SD接口(在板子背面)
  • 1个USB串口

从上图可以明显看出领航者 ZYNQ 开发板的特点和优势非常明显:首先提供了丰富的接口方便的进行各种外设的实验和开发;其次,设计和资源比较灵活,领航者ZYNQ底板外扩64Kbit(8K字节)的EEPROM,满足大内存需求和大数据存储。板载高性能音频编解码芯片、千兆网卡以及其它各种接口芯片,满足各种不 同应用的需求;再者就是正点原子板卡自带的人性化设计的属性,各个接口都有丝印标注,且用方框框出,使用起来一目了然;部分常用外设大丝印标出,方便查找。

领航者ZYNQ开发板底板的接口细节图如下:

从左往右的接口依次是电源接口、两个千兆以太网接口、4个USB HOST接口、RS232接口、RS485接口、CAN接口。

USB SLAVE接口、USB转TTL接口、RGB TFT LCD接口、XADC接口、OLED/摄像头模组接口。

扩展pin接口座、ATK接口、BOOT启动选择开关、PL复位按键、两个PL按键、两个PS按键、触摸按键。

耳机输出接口、音频输入接口、HDMI接口、JTAG接口、3.3V输入/输出接口、5V输入/输出接口、电源开关。

领航者ZYNQ开发板的核心板通过B2B接口与底板连接,拆装都非常方便,而且非常利于用户对核心板进行二次开发。

ZYNQ 7000 SoC分为PS(Processing System)部分以及PL(Programmable Logic)部分,其中PS部分有点像传统的处理器内部结构,包括CPU核、图形加速、浮点运算、存储控制器、各种通信接口外设以及GPIO外设,而PL部分就是传统的可编程逻辑和支持多种标准的IO,它们之间通过内部高速总线互联。

这种架构既提高了系统性能(处理器和各种外设控制的”硬核“),又简化了系统的搭建(可编程的外设配置),同时提供了足够的灵活性(可编程逻辑),在Z-turn Lite开发板上,PS部分主要是指Cortex-A9 ARM处理器,连接特定的存储和接口,而PL部分主要负责连接FMC以及Debug接口。

核心板的资源。

需要说明的是,领航者 ZYNQ-7020 核心板和领航者 ZYNQ-7010 核心板除 ZYNQ 芯片和 DDR3 存储资源不同外,其余外设完全相同。

而目前笔者上手的这款ZYNQ-7010 核心板具体资源如下:

  • ZYNQ-7010核心板的ZYNQ芯 片型号为XC7Z010CLG400-1,PL逻辑单元多达28K,BRAM存储资源为4.9Mbit;双核Cortex-A9结构
  • 2片DDR3 SDRAM,ZYNQ-7010核心板的DDR3型号为NT5CB128M16IP-DI,每片2Gbit,总容量为4Gbit (512MB)
  • 1个1x6下载接口,与底板的14-Pin JTAG接口功能一致
  • 1个PL LED
  • 1个PS LED
  • 1个PL晶振:50Mhz,给PL可编程逻辑提供时钟
  • 1个PS晶振:33.333Mhzz,给PS CPU逻辑提供时钟
  • 1个电源指示灯
  • 1个PL配置状态指示灯(DONE LED)
  • 1个PS端千兆以太网PHY芯片:RTL8211E-VL(RJ45)
  • 1个PS复位按键
  • 1个QSPI FLASH,型号采用W25Q256FVEI,容量:256Mbit(32MB)
  • 1个eMMC,型号采用KLM8G1GETF,容量:8GB。

整个开发板的硬件系统框图如下:

整体看下来领航者ZYNQ开发板确实功能够全面,资源够丰富,唯一让笔者有些遗憾的是开发板没有板载下载器,还好正点原子也提供了更为强大的额外的调试器,弥补了一些遗憾吧。

领航者ZYNQ开发板开发环境&上电

开发环境是每个用户绕不过去的坎,很多板子因为相应的开发环境生态做的好,受到欢迎,而有的平台在硬件上看起来不错,性能强大,功能丰富,但由于配套的开发环境、软件、生态等不健全而导致“夭折”的也不少。而采用Xilinx Zynq-7000系列的领航者ZYNQ开发板显然有天然优势。圈内的人都知道,Xilinx之于FPGA就相当于Intel之于CPU(当然现在AMD也崛起了,笑~),而赛灵思提供的EDA工具也是非常强大的,因此我们首选的EDA工具就是Vivado,然后用户可以再根据实际的需求选择相应的器件支持。

开发环境的推荐使用Vivado HL WebPACK Edition,为什么推荐这个?无它,主要是免费。其实玩FPGA电脑配置也挺重要的,不说Vivado安装后整个容量巨大,在综合、Implementation的时候,笔者的电脑基本上卡得无法做其它事情,而且还巨慢,若想全部整完官方提供demo,那基本上一下午时间就荒废了,好无奈。

再来说下正点原子官方提供的资料,毋庸置疑,这点才是整个开发板配套的亮点,无论是原理图、上手使用指导,专门工具下载,软件demo例程,视频教程等真是应有尽有,能把资料全部看完的应该至少能从小白进阶到FPGA初中级别工程师。

接下来就是实际上电使用了,首先连接上触摸屏,注意FPC别接错了。

开发板上电后进入出厂内置的系统,基于Linux内核,Qt5文件系统,主要运行在Zynq中的ARM Cortex-A9上,这个有点类似之前评测过的Alpha开发板,而本文我们还是主要看FPGA部分。

使用领航者ZYNQ开发板进行FPGA设计

如何进行FPGA设计?可以简单的看下下面这张图。

从上图可以看出,首先打开 Vivado 软件,新建一个工程,在新建工程的时候,我们可以通过新建工程 向导的方式来创建工程。

工程建立完成后,我们需要新建一个 Verilog 顶层文件,然后我们将设计的代码输 入到新建的 Verilog 顶层文件中。

HDL 源代码输入完毕之后,就是对设计文件进行分析与综合了。 在代码输入以及设计分析阶段,Vivado 软件会检查代码,如果代码出现语法错误,那么 Vivado 软件将 会给出相关错误提示。

在 FPGA 设计中,综合(Synthesis)就是将 RTL 设计转变为由 FPGA 器件中的查找 表(LUT)、触发器(FF)等各种底层电路单元所组成的网表,在这个过程中综合器也会对设计进行优化, 例如,删除多余的逻辑等等。 综合完成后,我们需要进行约束的输入。约束表达了设计者期望满足的时序要求,规范了设计的时序 行为,并在综合、实现阶段来指导工具进行布局、布线,工具会按照你的约束尽量去努力实现以满足时序 要求,并在时序报告中给出结果。常用的约束包括时序约束、引脚约束等等。

接下来就可以实现整个设计了,包括布局和布线等。如果实现成功,则 Vivado 会给出提示结果。此时, 就可以生成用于下载到器件中的比特流文件了。最后,我们会通过下载器来将这个比特流文件下载到 FPGA 中,完成整个开发流程。

因此,ZYNQ开发板虽然高大上,很多初学者会畏之为妖魔鬼怪,但是其实,只要掌握方法,ZYNQ的学习和普通单片机一样,基本方法就是了解ZYNQ的基本结构和其功能,如 PS、AXI 总线、锁相环 PLL、 FIFO等,其次是需要了解Verilog HDL基本语法。

下面是一些实际案例的演示。

触摸LED点亮熄灭,值得一提的是正点原子的提供的源码都有相关的Verilog代码的中文注释,方面新手理解。

执行基本的操作分析,综合,下载。

实际效果。

配合屏幕实现RGB的显示。

正点原子官方提供了不少例程,笔者也花费了大量的时间一一验证,只不过局限在无法很好的展示出来就不一一例举了。

除此之外,正点原子也为初学者准备了一系列的视频教程,内容不仅局限于板子本身还有包括赛灵思ZYNQ FPGA的产品介绍跟扩展,让你不仅知其然也知其然,这点是非常不错的,对于初次接触FPGA来说,似乎很难找到能提供如此系统清晰的教程资源,而且这些资源都是免费的,即便是没有购买正点原子的领航者ZYNQ开发板,想了解的网友还是可以去免费在线或者下载观看,就冲这点都值得种草。

总结

介绍了正点原最新推出的一款FPGA+ARM嵌入式开发板领航者ZYNQ开发板,在单芯片上集成了双核ARM Cortex-A9处理器和FPGA可编程能力,既有高性能的处理能力,又搭配灵活的可编程配置,并且支持Linux系统,板卡采用核心板加底板的架构模式,底板提供了丰富的扩展接口,如串口,网口,mciroSD卡接口,ADC接口,CAN等接口;核心板基于赛灵思28nm工艺的Zynq-7010 SoC ,提供了稳定的CPU最小系统模块,方便二次开发产品外围接口、功能,适合工程师做各种灵活的开发,比如软件工程师可在开发进程中运用领航者ZYNQ开发板在硬件上进行多次测试,或在低性能测试系统上进行高效ASIC仿真,全面提高开发效率、缩短开发周期。正点原子还为开发者提供了丰富的资料,如用户手册、原理图、例程demo、源码包、开发工具、视频教程等,不但大大降低了用户开发的难度,同时也降低产品开发周期,实现产品快速上市,目前领航者ZYNQ开发板在正点原子官网有现货销售,有兴趣的朋友可以去看看。

 

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