ZYNQ-7000系列FPGA学习指南：架构、资源与命名规则详解
ZYNQ-7000系列FPGA学习指南：架构、资源与命名规则详解
ZYNQ-7000系列是Xilinx公司推出的首款可扩展处理平台，它将双核ARM Cortex-A9处理器与传统的FPGA逻辑部分完美结合，为高端嵌入式应用提供了强大的处理能力和计算性能。本文将详细介绍ZYNQ的架构、硬件资源以及芯片命名规则等内容。
1. ZYNQ的引入
随着FPGA的快速发展，单纯提升容量已无法满足复杂场景的需求。为追求更高性价比，FPGA逐步演变为拥有复杂功能的片上编程系统。Zynq-7000系列正是这样一款创新产品，它于2010年4月推出，旨在为视频监控、汽车辅助驾驶和工业自动化等领域提供高性能解决方案。
2. ZYNQ简介
Zynq-7000 All Programmable SoC由双核ARM Cortex-A9处理器和传统FPGA逻辑部分组成。其名称中的"7000"源于所采用的28nm工艺7系列FPGA技术。Zynq是一个真正的片上系统（SoC），在单个硅芯片上集成了存储、处理、逻辑和接口等功能模块。
与传统ASIC SoC相比，Zynq采用了可编程片上系统（SOPC）架构，结合了FPGA的灵活性和处理器的软件可编程性。这种设计不仅缩短了开发周期，降低了成本，还提供了更高的系统速度、更低的功耗和更好的可靠性。
2.1 ZYNQ的PL部分
ZYNQ的PL部分等同于Xilinx 7系列FPGA，主要由以下组件构成：
- 可编程输入输出单元：支持多种电气标准，如LVTTL、LVCMOS等，可编程阻抗匹配和驱动电流。
- 基本可编程逻辑单元：基于4输入查找表（LUT）和寄存器，构成可配置逻辑块（CLB）。
- 嵌入式块RAM（BRAM）：可实现RAM、ROM和FIFO功能。
- 布线资源：包括全局布线、长线、短线和分布式布线，用于连接各个模块。
- 底层内嵌功能单元：如PLL、DSP等专用模块。
- 内嵌专用硬核：如XADC模数转换器。
2.2 ZYNQ的PS部分
ZYNQ的PS部分是一个完整的ARM处理器系统，包含双核Cortex-A9处理器、内存控制器和丰富的外设。PL和PS通过AXI接口互联，支持独立供电和断电。PS部分集成了硬核处理器，提供高性能计算能力，同时兼容FPGA软核处理器的灵活性。
3. 实验平台介绍
以正点原子领航者开发板为例，介绍ZYNQ开发环境。该开发板支持ZYNQ7020/ZYNQ-7010核心板，配备丰富的外设资源，包括LED、按键、串口、以太网、USB、音频、HDMI等接口。
3.1 底板资源
底板提供了全面的硬件资源，包括电源指示灯、PL/PS LED、蜂鸣器、功能按键、触摸按键、CAN接口、RS232/RS485串口、RGB888 TFT-LCD接口、XADC接口、OLED/摄像头接口、RTC实时时钟、ATK MODULE接口、音频输入输出、HDMI输出、USB HOST/SLAVE接口、JTAG接口、电源输入接口等。
3.2 核心板资源
核心板采用Xilinx ZYNQ7000系列芯片，根据型号不同，提供不同规模的PL逻辑单元和BRAM存储资源。两种核心板均配备双核Cortex-A9处理器，支持DDR3 SDRAM、QSPI FLASH和eMMC存储。核心板还集成了PL/PS LED、晶振、以太网PHY芯片、复位按键等组件。
3.3 硬件资源概览
开发板的硬件资源包括PS和PL端的IO Bank分配、HR Bank支持的IO电平标准等。XC7Z020和XC7Z010芯片的PS端IO Bank包括Bank 502、Bank 501和Bank 500，PL端的IO Bank则有所不同。
下面是ZYNQ芯片的引脚图：
4. ZYNQ芯片的命名规则
以XC7Z010-CLG400-1为例，解析ZYNQ芯片的命名规则：
- XC7Z014：芯片编号
- S：表示7007S、7012S、7014S系列芯片
- 2：速度等级，数字越大运行速度越快
- GLG：芯片制造工艺信息
- 484：引脚数
- C：温度等级
例如，XC7Z010-CLG400-1表示Xilinx公司ZYNQ-7000系列的7010芯片，速度等级为1，采用CLG封装，400引脚。