实验名称 SOC平台环境的搭建
目录
-
实验目的
了解SoC平台环境搭建的具体操作流程
学习Xilinx Vivado&SDK 2017.3工具的使用
熟悉SoC平台环境搭建过程和工作原理
-
实验内容
以PS与PL协同设计实现GPIO为例，自行搭建SoC平台环境。
将FPGA当做一个PS处理器的外设，通过寄存器地址映射到PS的寻址空间。在处理器中使用C程序访问这些寄存器，来实现软件和逻辑结合的协同设计的效果。
具体步骤是先在VIVADO中配置ZYNQ处理器，做好FPGA的外设，互联完成之后生成BIT流文件下载到板子。在SDK环境下开发好软件之后，进行在线调试运行。
-
实验步骤
打开桌面VIVADO 2017.3，点击Create Project创建新工程。为新工程命名，选择工程保存路径，点击Next。选择芯片xc7z020clg484-1，点击Next → Finish。点击Create Block Design，创建块设计，并命名
在右侧Diagram窗口空白处右击 → Add IP。搜索zynq，双击ZYNQ7 Processing System，添加zynq处理器，并点击Run Block Automation，勾选处理器→ 点击OK，会自动进行一些配置
再添加两个GPIO核，在Diagram窗口空白处右击 → Add IP → 搜索gpio → 双击。操作两次，添加两个AXI GPIO核，点击Run Connection Automation，勾选All Automation，点击OK，进行自动配置。自动连接之后在空白处右击选择Regenerate Layout，重新布局
双击ZYNQ处理器核，进行配置，更改DDR型号为MT41K256M16 RE-15E，将Bank1 I/O电平设为1.8V，勾选Uart1，用于通过串口查看程序打印信息
将GPIO IP核的名字和端口名称修改为LED和SW。双击LED IP核，配置LED为输出，GPIO Width设置为8，对应8个LED灯，点击OK。双击SW IP核，配置SW为输入，GPIO Width设置为8，对应8个拨码开关，点击OK
新建约束文件：右击Constraints → Add Sources → 点击Next---Create File，为文件命名，点击OK → Finish。根据EES331用户手册中LED和SW的管脚约束表，在PINS_SET.xdc中添加引脚与电平约束并保存
生成顶层文件：先右击system → Generate Output Products → Generate，再右击system → Create HDL Wrapper → OK。Vivado会为IP子系统生成一个顶层文件，以便对该系统进行综合、实现并生成比特流
工程配置完成，点击左下侧Generate Bitstream生成比特流，点击Yes → OK，等待比特流生成。若没有其他错误，比特流生成完成后直接关闭弹出的窗口或选择查看报告
硬件工程设计好之后，可在以下窗口中看到系统分配给外设的地址。接下来将硬件工程导出到SDK，在SDK中进行软件编译与运行（注：不要单独打开SDK，是在VIVADO中导出）。VIVADO -> File → Export Hardware Design to SDK，导出硬件到SDK，打钩，包括比特流，点击OK
打开SDK：File → Launch SDK → OK，进入SDK界面。在SDK中新建工程对LED和SW进行编程，实现相应功能。为新工程命名，并产生相应的BSP → 注意选Next → 选择空工程 → Finish
在新建的工程中添加源文件，新建Source File或者Header File，为文件命名，注意要跟上文件类型.c或.h，点击Finish，在源文件中添加代码
硬件和软件设计好之后，保存工程，接下来调试和运行程序，运行之前先把板子的上所有拨码开关拨到下面。使用USB线连接PC机和开发板J3端口（JTAG/PS_UART），打开板子开关，在Vivado中点击左下角Open Hardware Manager → Open target → Auto Connection
若连接不上板子
1. 重启板子或电脑：开关断开或按下板子上的复位按钮（LED和数码管旁边S3/POR(B5)）
2. 杀进程：打开任务管理器——进程——hw_server.exe
下载比特流：点击Program device，在弹出的窗口中找到工程的比特流，比特流文件在工程中的路径为：project_name/project_name.runs/impl_1/system_wrapper.bit，如下图，点击Program下载比特流到板子。
若运行程序，则右击工程——Run As ——Launch on Hardware（GDB）
若调试程序，则右击工程——Debug As——Launch on Hardware（GDB）
查看串口打印：使用桌面串口工具Putty，设置波特率和端口号。
端口号查看方式：右击桌面电脑/计算机 → 管理 → 设备管理器 → 端口
若工程正确，可看到8个LED灯循环闪烁，向上拨动任意一个拨码开关时，流水灯运行到最后一个LD7时停止。
-
实验结果
| 流水灯的实验结果： |
|
|
|
|
实验结果分析：第一张图片代表流水灯依次亮起，第二张图代表流水灯每隔着一个灯亮起。
第三张图代表实验中修改的代码片段。
在将流水灯的代码ledbit++改为ledbit=ledbit+2,就可以实现流水灯每间隔一个小灯闪烁一下。
相关原理涉及：流水灯的关灯和开灯的节拍。
-
实验总结
在实验中详细了解了相关软件和硬件的使用，在工程生成比特流之后的操作中遇到了一些问题，后来发现是SDK中的C的代码中，下面多出了文字，之后删除后就能正常进行项目和实验了。
同时在实验当中，认识到了软件设计和硬件设计之间的关系，学会了如何简易搭建一个soc平台和了解了相关的实验原理。
-
实验思考题
1.ZYNQ 7000中提供了哪几种实现GPIO的方式，这几种之间有什么区别与联系？
第一种PS的MIO实现的GPIO
MIO实现的GPIO 需要在做PCB板卡之前就对功能有所限制:
第二种PS的EMIO实现GPIO
EMIO实现GPIO也使用PS，但是有FPGA的灵活
第三种IP方式实现GPIO
MIO和EMIO方式是使用PS部分的GPIO模块来实现GPIO功能的，
支持54个MIO(可输出三态)、64个输入和128个输出(64个输出
和64个输出使能)EMIO
而IP方式是在PL部分实现GPIO功能，PS部分通过MAXIGP接
口来控制该GPIO IP模块:另外EMIO模块虽然使用PS部分GPIO
但也使用了 PL 部分的管脚资源
2.Create Block Design过程中，添加IP核之后不点击Run Block Automation和Run Connection Automation，尝试自己连接线，理解其工作原理，并叙述。
自己连接线，需要确定正确的端口，并且要确定好正确的频率，连接成功后就能下载bit流到开发板。
。