嵌入式系统软硬件协同设计实战指南

目　　录

序言

第2版前言

第一部分　基础篇

第1章　将你的ZED板卡用起来/2

1.1　GPIO LED动手玩/2

1.1.1　安装SD卡/2

1.1.2　跳线与外设连接/2

1.1.3　演示操作/2

1.2　Linaro Ubuntu动手玩/3

1.2.1　SD卡分区/3

1.2.2　文件复制/6

1.2.3　外设连接/6

1.2.4　可演示的效果/7

第2章　Zynq平台介绍/9

2.1　7系列FPGA简介/9

2.2　Zynq-7000 AP SoC体系简介/12

第3章　ZedBoard开发环境/15

3.1　ZedBoard的板载外设/15

3.1.1　LED/15

3.1.2　按键/16

3.1.3　开关/16

3.1.4　OLED/17

3.1.5　USB接口/18

3.1.6　音频接口/20

3.1.7　VGA接口/21

3.1.8　HDMI接口/22

3.1.9　10/100/1000兆网口/23

3.2　ZedBoard的扩展外设/25

3.2.1　PMod/25

3.2.2　外扩FMC插槽/27

3.2.3　外扩AMS插座/28

第4章　Zynq开发工具链/29

4.1　Vivado设计套件/29

4.1.1　Vivado IDE/29

4.1.2　Vivado IP Integrator/32

4.1.3　Vivado调试介绍/35

4.2　软件开发工具链/37

4.2.1　SDK/37

4.2.2　交叉编译工具链/38

4.2.3　GDB与GDB Server/39

第5章　Zynq体系结构/41

5.1　应用处理器单元/41

5.1.1　Cortex-A9处理器/41

5.1.2　侦听控制单元/44

5.1.3　L2高速缓存/45

5.1.4　APU接口/45

5.2　通用外设/47

5.2.1　通用I/O/47

5.2.2　SPI接口/50

5.2.3　UART接口/52

5.2.4　计时器/55

5.2.5　USB控制器/57

5.2.6　DDR控制器/58

5.3　数字逻辑设计/60

5.3.1　可编程逻辑“外设”/60

5.3.2　XADC/62

5.3.3　PCIe/63

5.4　MIO/EMIO/64

第6章　系统级信号/67

6.1　电源管理/67

6.1.1　PS运行模式下的动态功耗削减/68

6.1.2　睡眠模式/68

6.2　时钟信号/68

6.2.1　CPU时钟域/69

6.2.2　DDR时钟域/70

6.2.3　基本的时钟分支结构/70

6.2.4　I/O外设（IOP）时钟/71

6.2.5　PL时钟/73

6.2.6　其他时钟/73

6.3　复位系统/74

6.4　JTAG/76

6.5　中断处理/77

第7章　Zynq的启动与配置/79

7.1　Zynq的启动过程简介/79

7.2　外部启动条件/80

7.2.1　电源要求/80

7.2.2　时钟要求/80

7.2.3　复位要求/80

7.2.4　启动引脚设置/81

7.3　BootROM/81

7.3.1　BootROM的作用/81

7.3.2　BootROM的特点/82

7.3.3　执行BootROM后的状态/83

7.4　FSBL/83

7.5　SSBL/86

7.6　Linux启动过程/86

7.7　Secure Boot/87

第8章　面向软件工程师的逻辑设计/89

8.1　FPGA硬件加速原理/89

8.1.1　以空间换时间/89

8.1.2　以存储器换门电路/91

8.1.3　以IP集成换生产力/92

8.2　部分动态可重配置于Zynq/95

第9章　ZedBoard入门/97

9.1　跑马灯/97

9.1.1　Vivado工程创建/97

9.1.2　在Vivado中创建Zynq嵌入式系统/100

9.1.3　SDK应用程序的编写/109

9.2　Zynq嵌入式系统调试方法/114

9.2.1　Vivado硬件调试/114

9.2.2　使用SDK对Zynq进行调试/119

9.3　启动Linux/123

9.3.1　创建FSBL.elf/123

9.3.2　从SD卡启动Linux/124

9.3.3　从QSPI启动Linux/126

第二部分　进阶篇

第10章　基于虚拟平台的Zynq开发/130

10.1　QEMU介绍/130

10.2　编译QEMU源码/130

10.2.1　下载QEMU源码/130

10.2.2　配置QEMU/131

10.2.3　QEMU所依赖的库文件/131

10.2.4　编译QEMU/131

10.3　启动QEMU/131

10.4　QEMU中的嵌入式Linux/132

10.4.1　QEMU启动简介/132

10.4.2　使用Ubuntu包管理器快速搭建用户定制系统/133

10.4.3　使用SSH服务进行访问/134

10.4.4　使用Telnet服务进行访问/135

10.4.5　使用FTP服务向QEMU传送文件/135

10.4.6　USB设备支持/135

10.4.7　SMP对称多核处理器的支持/135

10.4.8　硬件模块GPIO支持/135

10.5　商业版虚拟平台/136

第11章　PL和PS的接口技术详解/137

11.1　PL和PS的接口/137

11.1.1　AXI接口简介/138

11.1.2　AXI Interconnect/139

11.2　Zynq的内部连接/142

11.2.1　AXI_HP/144

11.2.2　AXI_GP/145

11.2.3　AXI_ACP/145

11.3　PL和存储器系统性能概述/147

11.3.1　接口理论带宽/147

11.3.2　DDR控制器的吞吐率及效率/148

11.3.3　内部互连吞吐量瓶颈/148

11.3.4　如何选择PL的接口/149

第12章　基于Zynq的软硬件协同设计/154

12.1　多核处理器架构简介/154

12.1.1　什么是多核处理器/154

12.1.2　多核处理器发展的动机和优势/155

12.1.3　同构、异构多核架构的优点和挑战/157

12.2　软硬件协同设计方法论/157

12.2.1　什么是软硬件协同设计/157

12.2.2　软硬件协同设计发展的动机和优势/157

12.2.3　软硬件协同设计的基本流程/158

12.2.4　基于Xilinx工具的软硬件协同设计简介/159

12.3　高层次综合/159

12.3.1　高层次综合综述/159

12.3.2　高层次综合发展的动机与优势/160

12.3.3　Xilinx Vivado HLS工具简介/161

12.4　基于Xilinx Zynq的软硬件协同设计简例/162

12.4.1　功能简介/162

12.4.2　设计流程简介/162

第13章　Zynq高级开发/170

13.1　用户IP核设计/170

13.1.1　AXI PWM设计/170

13.1.2　添加用户IP，完成系统设计/180

13.2　构建嵌入式Linux系统/185

13.2.1　构建交叉编译环境/185

13.2.2　编译U-Boot/186

13.2.3　编译uImage/186

13.2.4　生成uramdisk.image.gz/187

13.2.5　创建devicetree.dtb/188

13.3　嵌入式Linux应用程序与驱动/190

13.3.1　Linux设备驱动与软硬件之间的关系/190

13.3.2　字符型设备驱动/191

13.3.3　PWM模块驱动程序/192

13.3.4　应用程序编写/193

13.4　HDMI设计/194

13.4.1　HDMI传输原理/195

13.4.2　ADV7511芯片的相关控制信号/196

13.4.3　HDMI系统Vivado实现/198

13.5　OpenCV移植/200

13.5.1　开发环境准备/200

13.5.2　配置cmake/200

13.5.3　OpenCV编译与安装/202

13.5.4　OpenCV移植与ZedBoard测试/203

13.6　基于OpenCV的树叶识别系统/204

13.6.1　项目总览/205

13.6.2　图像采集/205

13.6.3　预处理/206

13.6.4　特征提取/208

13.6.5　分类决策/213

13.6.6　过程总述/216

13.7　基于OpenCV的人脸检测系统/217

13.7.1　原理简介/218

13.7.2　系统设计与实现/219

13.8　嵌入式Web服务器搭建/221

13.8.1　Boa服务器移植与配置/221

13.8.2　Boa服务器的部署与测试/223

13.8.3　CGI程序简介/224

13.9　在ZedBoard上搭建网络摄像机/225

13.9.1　嵌入式网络摄像机/225

13.9.2　Mjpeg-Streamer移植/226

13.9.3　部署Mjpeg-Streamer/226

13.10　FreeRTOS/228

13.10.1　FreeRTOS介绍/228

13.10.2　FreeRTOS与ucOS-II的比较/229

13.10.3　FreeRTOS在Zynq上的应用实例与分析/229

13.11　基于FreeRTOS的Xilmfs/240

13.11.1　嵌入式文件系统概述/241

13.11.2　Xilmfs文件系统介绍/245

13.11.3　Xilmfs文件系统使用实例/248

13.11.4　利用mfsgen工具创建只读型文件系统镜像/250

13.12　Lwip/251

13.12.1　基于standalone的Lwip应用/252

13.12.2　基于FreeRTOS的Lwip应用/255

13.13　在Zynq上搭建Andriod/257

13.14　Zynq双核通信/259

第14章　系统级设计案例/265

14.1　多轴运动控制系统/265

14.1.1　整体结构/265

14.1.2　硬件系统设计/266

14.1.3　硬件系统与ZedBoard接口/267

14.1.4　控制系统设计流程/268

14.1.5　多轴控制系统结构设计/270

14.1.6　利用Vivado HLS实现电流环控制硬件/271

14.1.7　算法移植/272

14.1.8　算法综合/273

14.1.9　软件系统设计/274

14.1.10　双核交互实现/274

14.1.11　Android APP监控程序实现/275

14.1.12　系统测试/276

14.2　Sobel滤波/278

14.2.1　软件架构设计/278

14.2.2　Linux内核与设备驱动/279

14.3　SDN/OpenFlow交换机/287

14.3.1　SDN/OpenFlow简介/287

14.3.2　数据通路设计/288

14.3.3　平台架构搭建/290

14.3.4　系统及驱动/291

14.3.5　OpenFlow交换机移植/292

14.3.6　启动OpenFlow交换机/292

14.3.7　数据通路优化及加速/294

14.4　智能小车系统开发/294

14.4.1　智能小车系统结构/295

14.4.2　运动控制设计/298

14.4.3　Linux系统应用程序设计/301

14.4.4　智能小车平台的后续拓展/307

14.4.5　在智能小车平台上移植ROS/308

第15章　如何获取资料和帮助/309

15.1　如何获取Xilinx的技术文档/309

15.1.1　DocNav介绍/309

15.1.2　DocNav使用案例/309

15.2　如何找到Zynq开发资料/312

15.2.1　如何获取本书的最新例程/312

15.2.2　如何获取Zynq开发资料/312

15.2.3　如何获取ZedBoard文档与例程/313

15.3　Xilinx网站资源导读/313

15.3.1　序/313

15.3.2　Xilinx软件介绍/313

15.3.3　软件版本和软件更新/316

15.3.4　软件教程/317

15.3.5　硬件资料/318

15.3.6　参考资源/319

15.3.7　问题解决/320

参考文献/321

本书分为基础篇和进阶篇两大部分，基础篇主要介绍ZynqSOC架构，ARMCortex-A9处理器，开发工具链等，器件Boot过程，并配备了大量基础实验，包括板卡的启动，编译嵌入式Linux系统，完成ARM和FPGA的简单片内通讯等；在进阶篇中详解了处理器和FPGA间接口种类和工作方式，分析了如何完成两者间高速的数据交互，通过实例介绍了如何在FPGA中定义用户自己的IP核并完成驱动编写供处理器上运行的Linux使用等，例如如何完成HDMI接口，如何将摄像头数据传递给处理器，并通过运行的OpenCV。本书还将结合Xilinx最新的Vivado和AutoESL开发工具介绍整体软硬件协同设计开发流程并通过案例分析。本书可作为Zynq初学者、软硬件协同设计开发人员的参考用书，亦可作为大专院校嵌入式系统设计、片上系统设计、可编程逻辑器件等相关专业的教师和学生的参考用书。