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ZynqUltraScaleMPSoC的嵌入式最小系统开发

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26 Microcontrollers&EmbeddedSystems 2019年第1期www.mesnet.com.cn ZynqUltraScale+MPSoC的嵌入式最小系统开发

江绪庆

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

摘要:设计了基于UltraScale+MPSoC的嵌入式计算机最小系统,包含硬件系统和软件系统。硬件系统以XCZU9EG

为核心,以QSPIFlash和eMMC为存储介质,通过串口和千兆以太网实现对外通信;软件系统采用ReWorks嵌入式

操作系统,实现对称多处理架构。实际测试表明,该最小系统具有嵌入式计算机运算、控制、通信等基本功能。

关键词:UltraScale+MPSoC;eMMC;ReWorks;对称多处理架构

中图分类号:TP368.1 文献标识码:A

DevelopmentofEmbeddedMinimumSystemBasedonZynqUltraScale+MPSoC

JiangXuqing

(SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology,Chengdu610036,China)

Abstract:Inthepaper,aminimumembeddedcomputersystembasedonUltraScale+MPSoCprocessorisdesigned,includinghardware

systemandsoftwaresystem.ThehardwaresystemusesXCZU9EGasthecore,Q-SPIFlashandeMMCasthestoragemedium,thecom-

municationisrealizedthroughtheserialportandGigabitEthernetinterface.ReWorksisusedastheoperatingsystemtorealizetheSMP

architecture.Thetestresultsshowthatthesystemhasthefunctionsofembeddedcomputeroperation,controlandcommunication.

Keywords:UltraScale+MPSoC;eMMC;ReWorks;SMParchitecture

引 言

嵌入式最小系统是嵌入式计算机的核心部分,最小系

统包括嵌入式硬件系统和嵌入式操作系统,具备尺寸小、

功耗低、扩展性好等特点。嵌入式最小系统的开发属于产

品平台研制,对相同架构产品的开发具有重要的指导

意义。ZynqUltraScale+MPSoC是美国Xilinx公司推出的新一

代异构多核可编程SoC,该系列处理器采用ARM+FPGA架

构,集成多个可编程处理器和可编程逻辑单元。本文提供了

一套基于ZynqUltraScale+MPSoC处理器和ReWorks嵌入

式操作系统构建嵌入式最小系统的软硬件方案。

1 总体设计思路

最小系统硬件以ZynqUltraScale+MPSoC系列中的XCZU9EG处理器为核心。选用DDR4SDRAM、QSPI

Flash、eMMC芯片、网络物理层(PHY)芯片、RS232接口

芯片,实现最小系统的硬件电路设计。嵌入式操作系统选

用国产自主可控ReWorks嵌入式操作系统,实现内核初

始化、硬件设备驱动、I/O系统等基本功能。依据总体设

计思路,构建了最小系统的硬件框架,如图1所示

。图1 最小系统硬件框图 XCZU9EG处理器内部可分成处理子系统(Process- 敬请登录网站在线投稿 2019年第1期 27 ingSystem,PS)和可编程逻辑(ProgrammableLogic,

PL)[1]。PS集成了多个可编程处理器,包括CortexA53

核、CortexR5核、Mali400GPU核以及可编程逻辑单

元。PS还集成了OCM、DDR控制器接口、MIO(Multi-

plexedIO)以及高速串行收发接口。PL提供大规模的可

编程逻辑块(CLB)、BlockRAM、DSP模块,提供可配置

的通用I/O和高速串行收发接口。PS和PL通过AXI总

线完成二者间的交互。

最小系统的设计实现过程分为三个阶段:硬件电路设

计、处理器硬件平台配置和ReWorks操作系统镜像生成

与烧写。

2 硬件电路设计

2.1 电源设计

最小系统的电源设计分为两级:第一级转换器选用DCDC转换器,将5V输入电压转换为系统需要的各

种电压;第二级转换器LDO将内部电源转换为更加纯净

的电压源,满足PLL等更严苛的电源需求。电源设计如

图2所示。

图2 电源设计框图

2.2 时钟设计

最小系统的参考时钟PS_REF_CLK采用频率为

33.333MHz、CMOS电平的时钟信号。PS子系统内需要

的所有时钟频率都经过处理器内部锁相环(PLL)倍频和

分频得到。

2.3 启动模式设计

处理器支持多种启动模式,可以从多种引导设备获取

启动程序镜像。芯片上电复位后采样boot_mode[3:0]引

脚,根据采样值决定启动模式[2]。本系统通过拨码开关改

变boot_mode[3:0]引脚的值,从而选择不同启动模式,本

系统支持的三种启动模式如表1所列。表1 处理器启动模式启动模式bootmode[3:0]使用场景

JTAG0000多用于调试,使用JTAG仿真器下载调试软件

QSPI0001启动程序镜像存放在QSPIFlash中eMMC0110启动程序镜像存放在eMMC中

2.4 DDR4设计

处理器的DDR接口控制器外接DDR4芯片。芯片选

用美国Micron公司生产的MT40A512M16JY,单片位宽

为16位,DDR4接口最高速率为2400Mbps。4片DDR4

芯片并行连接组成的总位宽为64位、总容量为4GB的处

理器内存。DDR4的Vtt电压由TPS51200提供。

2.5 QSPIFlash设计

处理器的PS端通过MIO[0:5]挂接一片QSPI

Flash,用于存放启动程序镜像文件。Flash选用Spansion

公司生产的S25FL128SAGMFIR01芯片。

2.6 eMMC设计

eMMC芯片是一种内嵌NandFlash控制器的

新型存储芯片,特点是小尺寸、大容量、高速度。PS通过MIO[46:51]实现1路eMMC接口,eM-

MC芯片选用Micron公司生产的MTFC32GJDDQ

芯片,最大可提供32GB的非易失性存储空间,用

作数据记录和程序存储。实现这部分接口的MIO

属于PS端的bank501,由3.3V电压供电。

2.7 异步串口设计

PS通过MIO[18:19]实现1路UART接口。UART接口通过外接MAXIM公司的串口电平转换

芯片MAX3232实现RS232异步串口。异步串口用于

与PC机的通信,实现调试信息的输入与输出。

2.8 网口电路设计

PS内部集成有3个千兆以太网控制器,本设

计应用GEM3。处理器通过MIO[64:77]实现1路MAC

接口,连接Marvell公司生产的88E1512千兆网PHY芯

片,引出1路千兆以太网口。实现这部分接口的MIO属

于PS端的bank502,由1.8V电压供电。

3 处理器硬件平台配置

XCZU9EG处理器的底层硬件架构具有可配置性,配

置内容主要包含时钟配置、MIO接口配置、DDR接口配

置等方面。配置过程使用Xilinx公司提供的Vivado

2017.2软件,通过图形化界面对底层硬件进行配置,实现28 Microcontrollers&EmbeddedSystems 2019年第1期www.mesnet.com.cn 差异化的硬件架构设计[3]。

3.1 时钟配置

PS的系统参考时钟频率为33.333MHz。配置芯片

内部5个PLL,然后设置各时钟子系统的倍频与分频参

数,得到芯片内各控制器需要的时钟。最小系统片内时钟

子系统最终工作参数设置为:4个APU工作频率为1.2

GHz,2个RPU工作频率为500MHz,GPU工作频率为400MHz,QSPI接口控制器工作频率为125MHz,

UART控制器工作频率为100MHz,网络接口控制器工

作频率为125MHz,SDIO控制器工作频率为200MHz。

3.2 DDR4接口配置

DDR4硬件设计选用4片16位的DDR4芯片组成总

位宽为64位、总容量为4GB的内存。DDR4接口时钟配

置为1067MHz,行地址为15,列地址为10。bank地址位

配置为2。DDR4的接口配置如图3所示。

图3 DDR4的接口配置

3.3 MIO接口配置

XCZU9EG处理器的MIO是功能复用引脚,每一个

MIO引脚都支持多种备选接口,78个MIO引脚共分为3

个bank。根据最小系统硬件电路设计,bank500部分[MIO(0:25)]配置QSPI接口、UART接口,接口电平

配置为3.3V。bank501部分[MIO(26:51)]配置eMMC

接口,接口电平配置为3.3V。bank502部分[MIO

(52:77)]配置千兆以太网的MAC接口,接口电平配置为

1.8V。本设计中MIO的具体配置如表2所列。表2 MIO的配置引脚号功能引脚号功能MIO0QSPICLKMIO64EthTX_CLK

MIO1QSPID1MIO65EthTX_D0

MIO2QSPID2MIO66EthTX_D1

MIO3QSPID3MIO67EthTX_D2

MIO4QSPID0MIO68EthTX_D3

MIO5QSPICSMIO69EthTX_CTRL

MIO18UART0TXDMIO70EthRX_CLK

MIO19UART0RXDMIO71EthRX_D0

MIO46eMMCD0MIO72EthRX_D1

MIO47eMMCD1MIO73EthRX_D2

MIO48eMMCD2MIO74EthRX_D3

MIO49eMMCD3MIO75EthRX_CTRL

MIO50eMMCCMDMIO76EthMDC

MIO51eMMCCLKMIO77EthMDIO

4 ReWorks操作系统镜像生成与烧写

4.1 镜像文件的生成与烧写

ReWorks操作系统是中国电子科技集团第三十二研

究所推出的嵌入式操作系统,具备高实时性,支持多核处

理器、多任务管理。在本设计中,嵌入式操作系统在4个64位的CortexA53核上运行。采用开发平台Rede,将

操作系统配置成支持SMP模式、多任务优先级调度、文件

系统、网络协议栈,最终编译得到reworks.elf镜像文件。ReWorks操作系统的引导采用Xilinx公司SDK开发

平台编译生成fsbl.efl镜像文件。FSBL完成对MIO、

PLL、时钟、DDR4的初始化,并加载操作ReWorks镜像。

利用SDK的CreateBootImage工具将fsbl.efl和reworks.efl文件合并生成一个新的boot.bin的二进制文

件,再利用SDK的ProgramFPGA工具将boot.bin文件

烧写到XCZU9EG处理器外接的QSPIFlash中。

4.2 ReWorks操作系统的启动

XCZU9EG处理器加电后启动过程分为三个阶段[4]:

①Pre-configuration阶段,芯片执行PMUROM代码初始

化处理器;②Configuration阶段,芯片将FSBL(first-stage

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微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS在Xilinx(赛灵思)Zynq平台上的移植

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微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS在Xilinx（赛灵思）Zynq平台上的移植步骤 

微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS

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微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS是一个源代码开放的、易于移植的、面向深度嵌入式应

用的微内核实时操作系统，主要应用领域为工业控制，智能传感器开发，智能终端等。其官

方开源网址为：，下面我们逐步演示如何在Zynq平台移植SmallRTOS

实时操作系统。 

我们从Vivado导出硬件顶层设计包开始，如下图所示点击菜单File‐>Export‐>Export Hardware 

 微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS在Xilinx（赛灵思）Zynq平台上的移植步骤 

微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS

Vivado会弹出如下对话框，我们不做任何修改，直接点击OK按钮 

然后通过Vivado启动软件开发套件工具SDK，点击菜单File‐>Launch SDK

 微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS在Xilinx（赛灵思）Zynq平台上的移植步骤 

微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS

Vivado会弹出如下提示对话框，采用默认设置，直接点击OK按钮。

 微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS在Xilinx（赛灵思）Zynq平台上的移植步骤 

微型嵌入式实时操作系统SmallRTOS

此时软件开发套件SDK会启动，并提示正在导入硬件顶层设计包，如下图所示： 

导入完毕，我们在SDK左侧栏可以看到导入的硬件顶层设计包 

design_1_wrapper_hw_platform_0 

AXU4EVB-P 用户手册说明书

AXU4EVB-P 用户手册说明书

ZynqUltraScale+

开发平台

AXU4EVB-P开发板AXU4EVB-P用户手册2/59芯驿电子科技（上海）有限公司文档版本控制文档版本修改内容记录

REV1.0创建文档

REV1.1修正核心板J29管脚定义错误AXU4EVB-P用户手册3/59目录

文档版本控制......................................................................................................................................2一、开发板简介.............................................................................................................................6二、ACU4EV核心板....................................................................................................................9(一)简介..................................................................................................................................9(二)ZYNQ芯片...................................................................................................................10(三)DDR4DRAM..............................................................................................................11(四)QSPIFlash...................................................................................................................17(五)eMMCFlash...............................................................................................................18(六)时钟配置.......................................................................................................................20(七)LED灯...........................................................................................................................22(八)电源................................................................................................................................22(九)结构图............................................................................................................................24(十)连接器管脚定义...........................................................................................................24三、扩展板...................................................................................................................................33(一)简介................................................................................................................................33(二)M.2接口.......................................................................................................................34(三)DP显示接口.................................................................................................................35(四)USB3.0接口.................................................................................................................36(五)千兆以太网接口...........................................................................................................37(六)USBUart接口............................................................................................................39(七)SD卡槽.........................................................................................................................40(八)HDMI输出接口...........................................................................................................41(九)HDMI输入接口...........................................................................................................42(十)光纤接口.......................................................................................................................44(十一)PCIe插槽......................................................................................................................45(十二)CAN通信接口.............................................................................................................46(十三)485通信接口...............................................................................................................47(十四)MIPI接口......................................................................................................................48(十五)FMC连接器.................................................................................................................49AXU4EVB-P用户手册4/59芯驿电子科技（上海）有限公司(十六)JTAG调试口.................................................................................................................52(十七)RTC实时时钟...............................................................................................................53(十八)EEPROM和温度传感器............................................................................................54(十九)LED灯...........................................................................................................................54(二十)按键................................................................................................................................55(二十一)拨码开关配置..........................................................................................................56(二十二)电源..........................................................................................................................57(二十三)风扇..........................................................................................................................57(二十四)结构尺寸图..............................................................................................................58

嵌入式系统最小系统硬件设计

嵌入式系统最小系统硬件设计

通信课程设计

嵌入式系统最小系统硬件设计

2010-10-3 1 / 12

目录

引言 .................................................................................................................................................. 2

嵌入式最小系统 ............................................................................................................................... 2

SEP3202简述 .................................................................................................................................... 3

最小系统硬件的选择和单元电路的设计 ....................................................................................... 3

(一) 电源电路 ....................................................................................................................... 3

(二) 晶振电路 ....................................................................................................................... 5

zynq 方案

zynq 方案

zynq 方案

概述：

Zynq 方案是一种采用 Xilinx 公司的 Zynq 系列 SoC（片上系统）的嵌入式硬件和软件设计解决方案。该方案将硬件和软件结合在一个芯片上，既可运行实时的嵌入式应用程序，又可支持高级的硬件加速和可编程逻辑设计。

一、Zynq 架构

Zynq 架构是由 ARM 处理器和 FPGA（现场可编程门阵列）组合而成的。它结合了 ARM 处理器的灵活性和高性能以及 FPGA 的可编程性和并行计算能力。

1. ARM 处理器

Zynq SoC 集成了 ARM Cortex-A9 处理器，它是一种高性能、低功耗的处理器，具有多级缓存和 NEON SIMD（单指令多数据流扩展指令集）加速器，可用于处理复杂的控制和实时任务。

2. FPGA

Zynq SoC 中的 FPGA 部分是 Xilinx 公司的 Artix 或 Kintex FPGA。它具有灵活的可编程逻辑资源，可根据需求实现不同的硬件功能，如数字信号处理、图像处理和网络加速等。

二、Zynq 方案的应用领域 Zynq 方案在各行各业的嵌入式系统设计中有广泛的应用，包括但不限于：

1. 通信与网络

Zynq 方案广泛应用于通信和网络设备中，例如高性能路由器、光纤通信系统和无线基站。其高度集成的特性和灵活的可编程性，使得设备可以满足不断变化的通信标准和需求。

2. 工业自动化

Zynq 方案在工业自动化领域中发挥着重要作用，包括控制器、工厂自动化、机器视觉和运动控制系统等。其硬件加速和实时性能使得工业设备能够高效地执行复杂的控制和监控任务。

3. 汽车电子

Zynq 方案在汽车电子领域具有广泛的应用，包括车载信息娱乐系统、驾驶员辅助系统和汽车网络。其高度自定义的硬件加速和嵌入式处理器的结合，能够提供更高的性能和更低的功耗。

4. 医疗设备

Zynq 方案在医疗设备中被广泛使用，例如医疗成像、医疗监测和生命支持系统。其灵活性和可编程性使得设备可以适应不同类型的医疗需求和算法。