ZedBoard — эффективный инструмент разработки и отладки встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на основе расширяемых вычислительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq-7000 AP SoC

Введение

Основу архитектуры кристаллов этого семейства составляют аппаратный двухъядерный процессорный блок с архитектурой ARM Cortex-A9 и совокупность ресурсов программируемой логики последнего поколения [8–14], взаимодействие которых осуществляется через порты интер- фейса AXI. Для практического освоения процесса проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на базе расширяемых вычислительных платформ Extensible Processing Platform (EPP) этого семейства фирма Xilinx предоставила несколько видов аппарат- ных средств различного целевого назначения [15–20]. Кроме того, компания Avnet Electronic Marketing совместно с фирмами Xilinx и Digilent, Inc. выпустила инструментальный комплект Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit, который отличается от других аппаратных средств подобного типа уникальным сочетанием широкого спектра функциональных возможностей и низкой стоимостью.

В статье приводится подробная информация о возможностях и архитектуре инструментального модуля ZedBoard (Zynq Evaluation and Development Board), входящего в состав этого комплекта, которая позволит разработчикам не только эффективно применять его в процессе аппаратной отладки собственных проектов, но и использовать варианты реализации отдельных узлов отладочной платы в создаваемых встраиваемых системах.

Назначение и состав инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit

Инструментальный комплект Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit предназначен, в первую очередь, для практической оценки функцио- нальных возможностей расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq-7000 AP SoC и отладки аппаратной части и разрабатываемого прикладного программного обеспечения встраиваемых микропроцессорных систем, проектируемых на их основе. Кроме того, этот комплект может выступать в качестве универсального ин- струмента прототипирования разрабатываемых систем.

В состав инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit входят следующие аппаратные и программные средства:

• Плата основного инструментального модуля ZedBoard, предоставляющая возможность реализации аппаратной части и комплексной отладки системного и прикладного программного обеспечения проектируемых встраиваемых микропроцессорных систем.
• Карта памяти стандарта SD (Secure Digital), содержащая загрузочную версию операционной системы Linux OS и исполняемый код программного обеспечения демонстрационного проекта.
• Набор соединительных кабелей, предоставляющих возможность подключения персонального компьютера и дополнительной периферии при осуществлении процесса комплексной отладки разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных систем совместно с внешними устройствами.
• Сетевой адаптер, формирующий постоянное напряжение 12 В, используемый в качестве первичного источника для узла питания основного отладочного модуля ZedBoard.
• Диски DVD-ROM, содержащие инсталляционные пакеты последних (на момент выпуска комплекта) версий систем проектирования ISE Design Suite [21] и Vivado Design Suite.
• Лицензионный ваучер на использование комплекса средств внутрикристальной отладки цифровых устройств и встраиваемых микропроцессорных систем ChipScope Pro [22] (с лицензией для кристалла XC7Z020 CLG484-1).

Для постоянной информационно-технической поддержки инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit компанией Avnet Electronic Marketing совместно с фирмами Xilinx и Digilent, Inc. создан специальный интернет-ресурс www.zedboard.org. Эта страница предоставляет разработчикам всю необходимую документацию на рассматриваемый инструментальный комплект, которая включает в себя:

• руководство пользователя [23];
• инструкцию по установке программных средств и выполнению демонстрационного проекта [24];
• руководство по эффективному проектированию встраиваемых микропроцессорных систем на основе расширяемых вычислительных платформ фирмы Xilinx семейства Zynq-7000 AP SoC [25];
• принципиальную схему отладочного модуля ZedBoard [26].

Здесь же можно скопировать архивы исходных файлов образцовых проектов систем на кристалле, разработанных в среде САПР ISE Design Suite различных версий, а также дополнительных учебных материалов, предназначенных для освоения особенностей проектирования встраиваемых микропроцессорных систем на базерасширяемых вычислительных платформ семейства Zynq-7000 AP SoC. Для копирования этих архивов необходимо предварительно выполнить процедуру бесплатной регистрации. Кроме того, на этой странице для разработчиков организован специальный форум, на котором они могут обсудить проблемы, возникающие при практическом применении инструментального комплекта Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit в процессе отладки собственных проектов.

Особенности инструментального модуля ZedBoard

Главным компонентом отладочного комплекта Xilinx Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit является одноименный инструментальный модуль, который характеризуется следующими, наиболее существенными особенностями:

• Оптимизированная архитектура, предоставляющая возможность полнофункциональной реализации и аппаратной отладки в составе разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных систем наиболее востребованных интерфейсов, поддерживаемых расширяемыми вычислительными платформами семейства Zynq-7000 AP SoC, с минимальными затратами.
• Применение в составе отладочного модуля кристалла расширяемой вычислительной платформы указанного семейства, характеризующегося повышенной производительностью, объем логических и специализированных аппаратных ресурсов которого позволяет осуществлять комплексную отладку проектов высокоскоростных встраиваемых микропроцессорных систем различного уровня сложности.
• Присутствие на плате инструментального модуля элемента Flash NOR ППЗУ с интерфейсом Quad-SPI (QSPI), который можно использовать для инициализации процессорной системы и конфигурирования программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC.
• Наличие высокоскоростного синхронного динамического ОЗУ SDRAM с интерфейсом DDR3 предоставляет возможность отладки разрабатываемого программного обеспечения как в автономном режиме, так и под управлением различных операционных систем, в том числе Linux OS.
• Поддержка интерфейса SDIO (Secure Digital Input/Output), позволяющего использовать карты памяти стандарта SD для инициализации процессорного блока и загрузки конфигурационной последовательности программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы, а также для загрузки кода операционной системы, в частности Linux OS, и исполняемого кода создаваемого прикладного ПО.
• Включение в структуру инструментального модуля дополнительных элементов, необходимых для реализации в составе разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных систем интерфейса 10/100/1000 Ethernet в полном объеме.
• Присутствие на отладочной плате дисплея OLED для отображения алфавитно-цифровой и графической информации.
• Возможность поддержки на уровне проектов интерфейса VGA, что позволяет подключать к инструментальному модулю внешний дисплей с этим интерфейсом.
• Наличие порта интерфейса HDMI (High-Definition Multimedia Interface), который можно использовать в проектируемых системах для вывода видеоизображения с высоким разрешением.
• Присутствие на отладочной плате аудиокодека, создающего все необходимые предпосылки для эффективного ее использования в процессе разработки мультимедийных систем.
• Поддержка в инструментальном модуле интерфейса USB0 OTG (On-The-Go) для подключения к отлаживаемым микропроцессорным системам необходимых внешних устройств.
• Включение в состав архитектуры отладочного модуля интерфейсного моста USB-UART, обеспечивающего возможность организации взаимодействия отлаживаемых встраиваемых микропроцессорных систем с внешним компьютером через виртуальный последовательный COM-порт.
• Применение гибкой схемы конфигурирования расширяемой вычислительной платформы, предоставляющей возможность загрузки конфигурационной последовательности в кристалл из различных источников, а также принудительного реконфигурирования в процессе отладки разрабатываемых систем.
• Включение в состав инструментального модуля интегрированной схемы загрузочного кабеля, поддерживающей операции записи конфигурационной последовательности в кристалл и обратного считывания данных, а также внутрикристальной отладки проектируемых микропроцессорных систем с применением комплекса средств ChipScope Pro с помощью стандартного кабеля USB-интерфейса, позволяет избежать значительных дополнительных затрат на приобретение соответствующего программатора.
• Применение комплексной системы синхронизации, формирующей внешние тактовые сигналы для процессорной системы и программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы, установленного на отладочной плате.
• Наличие в инструментальном модуле разъема для подключения внешних сигналов к аналого-цифровому блоку XADC расширяемой вычислительной платформы, предоставляет возможность отладки встраиваемых микропроцессорных систем, включающих внутренний двухканальный 12-разрядный АЦП с мультиплексируемыми входами и интегрированный датчик температуры.
• Размещение на отладочной плате группы разъемов, соответствующих требованиям спецификации PMOD, позволяет существенно расширить ее функциональные возможности, используя модули, выполняющие разнообразные функции, которые выпускаются компаниями Maxim Integrated Products и Digilent, Inc.
• Присутствие на плате инструментального модуля разъема расширения FMC Low Pin Count (LPC), соответствующего спецификации ANSI/VITA 57.1, обеспечивает возможность ее адаптации для отладки встраиваемых микропроцессорных систем различного целевого назначения с помощью дополнительных специализированных модулей мезонинного типа, выпускаемых различными производителями.
• Наличие переключателей различного типа и светодиодных элементов индикации, сопряженных с пользовательскими выводами процессорной системы и программируемой логики кристалла семейства Zynq-7000 AP SoC, предоставляет возможность управления и визуального контроля процесса отладки аппаратной части и разрабатываемого ПО встраиваемых микропроцессорных систем.
• Использование экономичной схемы управления питанием, выполненной на основе интегральных стабилизаторов импульсного и линейного типов, которая осуществляет формирование уровней напряжения, необходимого для функционирования всех компонентов инструментального модуля с учетом требуемой последовательности включения источников питания различных ресурсов расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000.
• Полная поддержка отладочного модуля последними версиями систем автоматизированного проектирования и конфигурирования кристаллов программируемой логики и расширяемых вычислительных платформ фирмы Xilinx ISE Design Suite и Vivado Design Suite.

Архитектура отладочного модуля ZedBoard

Внешний вид инструментального модуля ZedBoard с подключенным интерфейсным кабелем и установленной картой памяти стандарта SD, содержащей загрузочную версию операционной системы Linux OS и исполняемый код демонстрационного проекта, показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид инструментального модуля ZedBoard

Структурное представление архитектуры этого отладочного модуля приведено на рис. 2.

Рис. 2. Структурное представление архитектуры отладочного модуля ZedBoard

Основу архитектуры инструментального модуля ZedBoard образуют следующие функциональные блоки:

• Кристалл расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC, на базе которого осуществляется реализация и отладка аппаратной части и ПО встраиваемых микропроцессорных систем.
• Элемент перепрограммируемого запоминающего устройства емкостью 256 Мбит.
• Блок оперативной памяти емкостью 512 Мбайт.
• Интерфейсный блок, сопряженный с мультиплексируемыми линиями ввода/вывода процессорной системы.
• Интерфейсный блок, связанный с ресурсами программируемой логики.
• Схема конфигурирования программируемой логики расширяемой вычислительной платформы.
• Узел формирования сигналов синхронизации.
• Элементы управления и индикации.
• Схема сброса процессорной системы расширяемой вычислительной платформы.
• Пять разъемов, форм-фактор и подключение которых полностью отвечает требованиям спецификации PMOD, разработанной компанией Digilent, Inc..
• Разъем расширения, соответствующий спецификации стандарта FMC LPC.
• Разъем для подключения внешних сигналов к встроенному аналого-цифровому блоку XADC кристалла расширяемой вычислительной платформы.
• Схема формирования питающих напряжений.

На рис. 3 изображена схема сопряжения всех функциональных блоков с банками ввода/вывода кристалла расширяемой процессорной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC, установленного на отладочной плате ZedBoard. На этой схеме приведена также информация об уровнях напряжения, которое используется для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода, входящих в состав указанных банков.

Рис. 3. Схема сопряжения функциональных блоков отладочного модуля ZedBoard с банками ввода/вывода кристалла расширяемой процессорной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC

Центральным элементом инструментального модуля ZedBoard является программируемая система на кристалле XC7Z020, относящаяся к классу быстродействия –1 и выпускаемая в корпусе CLG484. Обобщенная архитектура этой программируемой СнК представлена на рис. 4.

Рис. 4. Обобщенная архитектура программируемой СнК XC7Z020

Архитектуру кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020 образуют процессорная система Processing System (PS) и ресурсы программируемой логики Programmable Logic (PL), взаимодействие которых осуществляется через порты интерфейса AXI. Основой процессорной системы является аппаратный блок, который включает в себя два ядра ARM Cortex-A9 MPCore с расширением NEON, обеспечивающим поддержку выполнения операций с плавающей запятой с обычной и двойной точностью. Максимальное значение тактовой частоты каждого микропроцессорного ядра кристалла XC7Z020, соответствующего классу быстродействия –1, составляет 667 МГЦ. Кроме 2-ядерного аппаратного блока в состав процессорной системы входит кэш-память первого и второго уровня емкостью 32 и 512 кбайт соответственно, а также ППЗУ Boot ROM, содержащее загрузчик операционной системы Linux OS, и внутрикристальное ОЗУ On-Chip RAM (OCM) объемом 256 кбайт.

В архитектуре процессорной системы представлены также контроллер внешней высокоскоростной оперативной динамической памяти, поддерживающий спецификации DDR2, DDR3 и LPDDR2, и интерфейс статической памяти с поддержкой SRAM, Parallel NOR Flash, NAND Flash и SPI/Quad-SPI Serial NOR Flash. Для осуществления высокоскоростной передачи данных между ячейками памяти, а также между периферийными блоками и памятью предусмотрен 8-канальный контроллер прямого доступа к памяти (DMA). Из обширного набора периферийных устройств ввода/вывода процессорной системы, который содержит по два экземпляра контроллеров интерфейсов UART, CAN 2.0B, I²C, SPI, USB 2.0, Tri-mode Gigabit Ethernet и SD/SDIO, в этом инструментальном модуле задействованы только интерфейсы USB 2.0, 10/100/1000 Ethernet, SD/SDIO, SPI и UART.

Ресурсы программируемой логики кристалла расширяемой процессорной платформы XC7Z020 составляют 87 040 логических ячеек Logic Cells, 140 модулей блочной памяти Block RAM суммарной емкостью 560 кбайт, 220 аппаратных секций цифровой обработки сигналов DSP48E1 и один аналого-цифровой блок XADC. Объем перечисленных ресурсов программируемой логики обеспечивает возможность реализации на ее основе широкого спектра дополнительных нестандартных периферийных устройств, включая цифровые фильтры с различными характеристиками и контроллеры интерфейсов, которые не представлены в составе процессорной системы. Кроме того, на базе этих ресурсов можно конфигурировать специализированные высокоскоростные сопроцессоры для обработки соответствующих данных, которые позволяют расширить функциональные возможности процессорной системы и существенно повысить ее производительность.

В качестве элемента перепрограммируемого запоминающего устройства в инструментальном модулеZedBoard применяется микросхема последовательной NOR Flash-памяти с интерфейсом Quad-SPI S25FL256S, выпускаемая компанией Spansion. Эта микросхема обладает информационной емкостью 256 Мбит и поддерживает три режима функционирования: ×1 (Single), ×2 (Dual) и ×4 (Quad). Этот элемент Flash ППЗУ позволяет осуществлять процесс конфигурирования кристалла расширяемой процессорной платформы с частотой 100 МГц. При этом в случае использования режима Quad-SPI достигается скорость передачи данных 400 Мбит/с. Рассматриваемый элемент перепрограммируемого запоминающего устройства может также выполнять функции энергонезависимой памяти исполняемого кода и данных разрабатываемых встраиваемых микропроцессорных систем. Компания Spansion предоставляет для этого файловую систему Spansion Flash File System (FFS), которую можно использовать после загрузки программируемой системы на кристалле XC7Z020.

Контроллер интерфейса Quad-SPI реализован на базе соответствующего периферийного блока ввода/вывода процессорной системы, входящей в состав кристалла расширяемой процессорной платформы. Схема подключения элемента последовательной Flash-памяти к кристаллу XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема подключения элемента последовательной Flash-памяти к кристаллу XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard

В состав блока оперативной памяти рассматриваемого отладочного модуля входят две микросхемы синхронной динамической памяти SDRAM MT41K128M16JT-125 компани Micron Technology, Inc. Каждая из этих микросхем представляет собой высокоскоростное ОЗУ с интерфейсом DDR3 и организацией 128 Мбит×16. Микросхемы подключены к выводам аппаратного контроллера динамической памяти, входящего в состав процессорной системы. Организацию взаимодействия блока оперативной памяти с кристаллом расширяемой процессорной платформы XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard поясняет структурная схема, приведенная на рис. 6.

Рис. 6. Схема подключения блока оперативной памяти к кристаллу XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard

Интерфейсный блок, сопряженный с мультиплексируемыми линиями ввода/вывода процессорной системы кристалла расширяемой процессорной платформы XC7Z020, предоставляет возможность реализации и аппаратной отладки в составе разрабатываемых микропроцессорных систем, интерфейсов SD/SDIO, 10/100/1000 Ethernet, USB 2.0 и UART. На плате отладочного модуля предусмотрены разъемы соответствующих портов и дополнительные элементы, необходимые для полнофункциональной реализации этих интерфейсов.

Интерфейс карт памяти SD Card в инструментальном модуле ZedBoard реализован на базе периферийного контроллера SD/SDIO процессорной системы кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020 и микросхемы TXS02612 компании Texas Instruments. Сигналы на входах и выходах контроллера интерфейса SD/SDIO соответствуют стандарту ввода/вывода с уровнем напряжения 1,8 В (рис. 3), а интерфейсные блоки карт памяти формата SD поддерживают уровень сигналов 3,3 В. Поэтому для согласования входов и выходов кристалла расширяемой вычислительной платформы и карт памяти стандарта SD используется микросхема TXS02612, которая выполняет функции двунаправленного преобразователя уровней сигналов. Схема интерфейса SDIO, обеспечивающего возможность подключения карт памяти формата SD в инструментальном модуле, показана на рис. 7.

Рис. 7. Схема интерфейса SDIO инструментального модуля ZedBoard

Для организации интерфейса Ethernet 10/100/1000 в отладочном модуле ZedBoard применяется соответствующий аппаратный контроллер, представленный в составе периферийных ресурсов процессорной системы кристалла XC7Z020. Этот контроллер обеспечивает реализацию функций MAC-уровня интерфейса Ethernet в соответствии со спецификацией стандарта IEEE 802.3-2008 и поддержкой режима RGMII (ReducedGigabit Media Independent Interface). Структурная схема реализации интерфейса Ethernet 10/100/1000 в рассматриваемом инструментальном модуле изображена на рис. 8. В ее состав, кроме соответствующих аппаратных ресурсов кристалла расширяемой процессорной платформы, входит микросхема 88E1518 PHY,кварцевый резонатор с частотой 125 МГц и два светодиодных индикатора. Микросхема 88E1518 PHY компании Marvell осуществляет сопряжение с физическим уровнем интерфейса Ethernet 10/100/1000. Кварцевый резонатор необходим для работы внутреннего генератора тактового сигнала этой микросхемы. Светодиодные индикаторы используются для отображения информации о текущем режиме работы контроллера Ethernet 10/100/1000.

Рис. 8. Структурная схема реализации интерфейса Ethernet 10/100/1000 в инструментальном модуле ZedBoard

Схема организации интерфейса USB 2.0 в инструментальном модуле ZedBoard приведена на рис. 9. Основу этой схемы образует аппаратный контроллер интерфейса USB 2.0, входящий в состав периферии процессорной системы кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020. Этот контроллер поддерживает три режима функционирования:

• Host,
• Device,
• OTG (On-The-Go).

Для выбора требуемого режима на плате отладочного модуля предусмотрена соответствующая группа коммутационных перемычек. Физический уровень интерфейса USB 2.0 реализует микросхема TUSB1210 компании Texas Instruments. Эта микросхема представляет собой приемопередатчик, поддерживающий протокол ULPI (UTMI + Low Pin Interface).

Рис. 9. Схема организации интерфейса USB 2.0 в инструментальном модуле ZedBoard

Для осуществления взаимодействия встраиваемых микропроцессорных систем, реализуемых на базе инструментального модуля ZedBoard, с внешним компьютером через виртуальный последовательный COM-порт предусмотрен интерфейсный мост USB-UART. Этот мост, выполненный на базе микросхемы CY7C64225 компании Cypress Semiconductor, сопряжен с блоком последовательного асинхронного приемопередатчика UART, который конфигурируется на базе соответствующего периферийного устройства процессорной системы кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020. Для согласования уровней входных и выходных сигналов интерфейсного моста и блока последовательного асинхронного приемопередатчика применяется микросхема TXS0102 компании Texas Instruments. Доступ к виртуальному последовательному порту в среде операционной системы Windows обеспечивает драйвер Virtual COM Port (VCP), предоставляемый компанией Cypress Semiconductor. Подключение инструментального модуля к компьютеру с использованием интерфейсного моста USB-UART и виртуального COM-порта осуществляется через отдельный разъем порта USB типа Type Micro-B. Схема сопряжения интерфейсного моста USB-UART с кристаллом расширяемой вычислительной платформы XC7Z020 в отладочном модуле ZedBoard представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема сопряжения интерфейсного моста USB-UART с кристаллом XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard

В состав интерфейсного блока, связанного с ресурсами программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы, входят контроллеры интерфейсов HDMI, VGA, OLED-дисплея и аудиокодек. Для организации порта HDMI-интерфейса в инструментальном модуле используется микросхема ADV7511 компании Analog Devices. Эта микросхема представляет собой соответствующий аппаратный кодек, совместимый со стандартами интерфейсов HDMI 1.4 и DVI 1.0, который поддерживает возможность вывода видеоизображения с высоким разрешением 1920×1080, соответствующим формату Full HD 1080P. Схема подключения HDMI-кодека к программируемой системе на кристалле XC7Z020 в отладочном модуле ZedBoard показана на рис. 11.

Рис. 11. Схема подключения HDMI-кодека к кристаллу XC7Z020 в отладочном модуле ZedBoard

Для реализации интерфейса VGA в составе проектируемых встраиваемых микропроцессорных систем на плате рассматриваемого инструментального модуля установлен соответствующий разъем — DB-15. Контакты этого разъема соединены с пользовательскими выводами программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020 через согласующие резисторы соответствующих номиналов.

В качестве OLED-дисплея в отладочном модуле ZedBoard используется устройство UG-2832HSWEG04 компании Inteltronic/WiseChip Semiconductor. Этот монохромный дисплей выполнен на основе пассивной матрицы с разрешением 128×32 точки. Интерфейсные выводы OLED-дисплея сопряжены с блоками ввода/вывода программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы. Для организации вывода информации на внешний дисплей VGA или на OLED-дисплей в состав разрабатываемой встраиваемой микропроцессорной системы должен быть включен соответствующий контроллер, реализуемый на основе ресурсов программируемой логики кристалла XC7Z020.

Аудиокодек в инструментальном модуле реализован на базе микросхемы ADAU1761 компании AnalogDevices. Эта микросхема предоставляет возможность цифровой обработки звуковых сигналов с частотой дискретизации от 8 до 96 кГц. В ней предусмотрена поддержка цифровой регулировки громкости, а также возможность конфигурирования режима работы с помощью средств Analog Devices SigmaStudio. КомпанияAnalog Devices предлагает соответствующий драйвер для использования аудиокодека под управлением операционной системы Linux. На рис. 12 дана схема сопряжения аудиокодека с программируемой системой на кристалле XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard.

Рис. 12. Схема сопряжения аудиокодека с программируемой системой на кристалле XC7Z020 в инструментальном модуле ZedBoard

Схема конфигурирования программируемой логики кристалла расширяемой вычислительной платформы инструментального модуля ZedBoard изображена на рис. 13. Эта схема включает в себя стандартный 14-контактный разъем порта JTAG-интерфейса, встроенный блок загрузочного кабеля, набор коммутационных перемычек и кнопку принудительного реконфигурирования кристалла XC7Z020. Стандартный разъем порта JTAG-интерфейса предназначен для подключения универсальных загрузочных кабелей, предоставляемых фирмой Xilinx и компанией Digilent, Inc. Этот разъем позволяет осуществлять процесс конфигурирования программируемой логики кристалла XC7Z020 рассматриваемого отладочного модуля, а также операции периферийного сканирования и внутрикристальной отладки встраиваемых микропроцессорных систем с помощью загрузочных кабелей Xilinx Platform Cable USB II, Xilinx Parallel Cable IV (PC IV), Digilent JTAG HS1 Programming Cable и Digilent JTAG HS2 Programming Cable.

Интегрированный блок загрузочного кабеля, конструктивно реализованный в виде субмодуля USB High Speed JTAG Module SMT1 компании Digilent, Inc., выполняющего функции интерфейсного моста USB-JTAG, предоставляет возможность выполнения всех перечисленных выше операций с помощью стандартного кабеля USB-интерфейса (Type A – Type Micro-B). Разработчики могут применять этот субмодуль в составе собственных плат проектируемых встраиваемых микропроцессорных систем. Набор коммутационных перемычек предназначен для выбора источника и соответствующего режима загрузки конфигурационных данных.

Кнопка принудительного реконфигурирования программируемой логики расширяемой вычислительной платформы обеспечивает возможность осуществления загрузки конфигурационной последовательности отлаживаемого проекта в кристалл XC7Z020 в любой момент времени. При этом текущий режим функционирования процессорной системы этого кристалла остается без изменений.

Рис. 13. Схема конфигурирования программируемой логики инструментального модуля ZedBoard

В состав узла формирования сигналов синхронизации инструментального модуля ZedBoard входят следующие элементы:

• генератор внешнего тактового сигнала для программируемой логики кристалла XC7Z020;
• генератор внешнего тактового сигнала для процессорной системы расширяемой вычислительной платформы.

Генератор внешнего тактового сигнала для программируемой логики кристалла XC7Z020 вырабатывает сигнал синхронизации с фиксированным значением частоты 100 МГц. Для реализации этого генератора применяется микросхема 767-100-136 компании Fox Electronics. Выход этого генератора сопряжен со специальным выделенным выводом указанного кристалла, предназначенным для подключения сигналов синхронизации.

В качестве генератора внешнего сигнала синхронизации для процессорной системы расширяемой вычислительной платформы используется микросхема 767-33.333333-12 Fox Electronics, формирующая сигнал с частотой 33,33333 МГц, которая соответствует рекомендациям, приведенным в [4].

Блок элементов управления и индикации отладочного модуля ZedBoard образуют кнопочные переключатели, двухпозиционные DIP-переключатели и светодиодные индикаторы, подключенные к пользовательским выводам программируемой логики и процессорной системы кристалла расширяемой вычислительной платформы XC7Z020. Переключатели различного типа предоставляют возможность установки требуемых значений входных сигналов, а также выполнения операций сброса, инициализации, изменения режимов работы отдельных блоков проектируемых встраиваемых микропроцессорных систем и управления процессом их отладки. Светодиодные индикаторы позволяют осуществлять визуальный контроль функционирования разрабатываемых систем и состояния требуемых сигналов в процессе отладки.

Схема сброса процессорной системы расширяемой вычислительной платформы формирует сигнал, инициирующий очистку содержимого всех элементов памяти процессорного блока, включая регистры, при подаче напряжения питания или при нажатии соответствующей кнопки (PS_RST) на плате отладочного модуля. Эта схема удерживает процессорную систему в состоянии сброса до тех пор, пока напряжение питания не достигнет необходимого номинального уровня.

Для подключения к отладочной плате ZedBoard различных модулей, дополняющих периферийные ресурсы кристалла XC7Z020, производимых в соответствии со спецификацией PMOD компании Digilent, Inc., предусмотрено пять разъемов, один из которых сопряжен с мультиплексируемыми входами/выходами процессорной системы, а остальные — с пользовательскими выводами программируемой логики. Кроме компании Digilent, Inc. эта спецификация поддерживается также другими производителями. Например, компания Maxim Integrated Products предлагает комплект, включающий в себя 15 периферийных модулей, выполняющих разнообразные функции. Разъемы PMOD оптимально расположены на отладочной плате, что позволяет одновременно подключать до пяти модулей расширения, как показано на рис. 14.

Рис. 14. Подключение модулей расширения PMOD к отладочной плате ZedBoard

Дополнительное расширение функциональных возможностей инструментального модуля ZedBoard предоставляет разъем FMC LPC, удовлетворяющий требованиям спецификации стандарта ANSI/VITA 57.1. Эта спецификация, в отличие от PMOD, предусматривает значительно больше контактов, подключенных к пользовательским входам/выходам программируемой логики. Разъем FMC LPC позволяет быстро адаптировать рассматриваемую отладочную плату для реализации встраиваемых микропроцессорных систем разного целевого назначения за счет подключений модулей мезонинного типа. В частности, при отладке высокопроизводительных систем цифровой обработки сигналов целесообразно использовать модули расширения FMC различных производителей, предназначенные для выполнения операций высокоскоростного аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигналов [27].

Разъем для подключения внешних сигналов к аналого-цифровому блоку XADC расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC обеспечивает доступ к внутреннему двухканальному 12-разрядному АЦП с мультиплексируемыми входами и к интегрированному датчику температуры кристалла XC7Z020, а также возможность подачи напряжения питания и опорного напряжения для этого блока. Данный разъем предоставляет возможность непосредственного подключения к отладочной плате ZedBoard дополнительного модуля коммутации аналоговых сигналов AMS101 Evaluation Card, который выпускает Xilinx[28]. Основные характеристики и архитектура этого коммутационного модуля представлены в [15].

Схема формирования питающих напряжений инструментального модуля ZedBoard выполнена на основе интегральных стабилизаторов импульсного и линейного типа, выпускаемых компанией Maxim Integrated Products. Эти интегральные стабилизаторы вырабатывают следующие уровни напряжения:

• 5 В — применяемый в качестве исходного источника для большинства интегральных стабилизаторов и для питания отдельных элементов отладочного модуля.
• 1 В с максимальным значением выходного тока 1,8 А, необходимый для питания ядра кристалла расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC (Vccint).
• 1,5 В с максимальным значением выходного тока 1,5 А, используемый для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода кристалла XC7Z020, предназначенных для подключения элементов оперативной памяти (V_CCODDR).
• 3,3 В с максимальным значением выходного тока 3 А, применяемый для питания выходных каскадов блоков ввода/вывода кристалла расширяемой вычислительной платформы (V_CCO).
• 3,3, 2,5 и 1,8 В с максимальным значением выходного тока 2 А, предназначенные для питания модулей расширения мезонинного типа FMC (V_adj).
• 1,8 В с максимальным значением выходного тока 0,8 А, необходимый для питания различных специализированных аппаратных блоков кристалла XC7Z020 (V_ccaux).
• 1,8 В с максимальным значением выходного тока 150 мА, используемый для питания аналого-цифрового блока XADC (V_XADC) кристалла расширяемой вычислительной платформы.
• 1,25 В, применяемый в качестве опорного напряжения для аналого-цифрового блока XADC (V_{XADC_REF}).
• 0,75 В, с максимальным значением выходного тока 1,5 А, необходимый для согласования элементов оперативной памяти (V_{DDR_TT}).

Структурная схема узла формирования питающих напряжений отладочного модуля ZedBoard представлена на рис. 15. Первичным источником для схемы питания является постоянное напряжение 12 В, вырабатываемое сетевым адаптером, который входит в состав инструментального комплекта Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit.

Рис. 15. Структурная схема узла питания инструментального модуля ZedBoard

Узел питания инструментального модуля ZedBoard обеспечивает последовательность включения выходных напряжений, которая соответствует рекомендациям фирмы Xilinx для кристаллов расширяемых вычислительных платформ семейства Zynq-7000 AP SoC. На рис. 16 показана последовательность формирования уровней напряжения на выходах схемы питания инструментального модуля ZedBoard.

Рис. 16. Последовательность включения напряжения питания инструментального модуля ZedBoard

Для демонстрации вариантов реализации наиболее востребованных интерфейсов программируемых систем на кристалле семейства Zynq-7000 AP SoC в составе инструментального комплекта Zynq-7000 AP SoCZedBoard Kit предоставляется образцовый проект, структура которого изображена на рис. 17. Пошаговая инструкция по выполнению этого демонстрационного проекта содержится в [24].

Рис. 17. Структура демонстрационного проекта для инструментального модуля ZedBoard

Дополнительные аппаратные средства, предлагаемые компанией Avnet Electronic Marketing для инструментального модуля ZedBoard 

Для использования альтернативных (по отношению к САПР фирмы Xilinx) инструментов проектирования и отладки программного обеспечения встраиваемых микропроцессорных систем с архитектурой ARM Cortex-A9 компания Avnet Electronic Marketing предоставляет адаптер ZedBoard Processor Debug Adapter, конструктивное исполнение которого приведено на рис. 18.

Рис.18. Конструктивное исполнение адаптера ZedBoard Processor Debug Adapter

Это устройство представляет собой переходник, который обеспечивает возможность доступа к JTAG-порту процессорной системы кристалла расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC, установленного на отладочной плате ZedBoard, через 20-контактный разъем JTAG-интерфейса ARM, 14-контактный разъем JTAG-интерфейса фирмы Xilinx и разъем, соответствующий спецификации PMOD компании Digilent, Inc.. Адаптер ZedBoard Processor Debug Adapter позволяет выполнять процесс отладки разрабатываемого ПО в среде Development Studio 5, подключив к инструментальному модулю средства трассировки ARMDSTREAM Debug and Trace Unit. Среда разработки Development Studio предоставляет возможность отладки приложений для расширяемой вычислительной платформы семейства Zynq-7000 AP SoC, функционирующих как в автономном режиме, так и под управлением операционной системы Linux и Android.

Для реализации на базе инструментального модуля ZedBoard встраиваемых микропроцессорных систем с интерактивным графическим интерфейсом управления компания Avnet Electronic Marketing предлагает комплект 7-inch ZedBoard Touch Display Kit. Основным компонентом этого комплекта является одноименный комбинированный модуль, который включает в себя ЖК-дисплей WVGA и емкостную сенсорную панель с соответствующим контроллером, выполненным на базе интерфейса I²C. Внешний вид модуля 7-inch ZedBoardTouch Display, подключенного к отладочной плате, показан на рис. 19.

Рис. 19. Внешний вид комбинированного дисплейного модуля 7-inch ZedBoard Touch Display

В качестве ЖК-дисплея применяется 7-дюймовая цветная TFT-матрица со светодиодной подсветкой LQ070Y3LG4A компании Sharp Microelectronics. Этот дисплей обладает разрешающей способностью 800×480 точек. Для сопряжения дисплея с кристаллом расширяемой вычислительной платформы используется последовательный интерфейс LVDS. Емкостная сенсорная панель поддерживает режим автокалибровки и полностью соответствует требованиям промышленного исполнения.

Комбинированный дисплейный модуль подключается к отладочной плате с помощью специального адаптера и гибкого соединительного кабеля, которые входят в состав комплекта 7-inch ZedBoard Touch Display Kit, как и сетевой адаптер питания.

Заключительные рекомендации 

Сочетание разнообразных функциональных возможностей, высокого быстродействия и относительно низкой стоимости инструментального модуля ZedBoard создают предпосылки для реализации на его основе как опытных образцов, так и окончательного варианта проектируемых встраиваемых систем, предназначенных для выпуска малой серии экземпляров. Представленный инструментальный модуль целесообразно использовать также при осуществлении ОКР, существенно сокращая тем самым время их выполнения за счет исключения этапов проектирования и изготовления печатной платы и монтажа компонентов.

Инструментальный комплект Zynq-7000 AP SoC ZedBoard Kit можно также рекомендовать для оснащения учебных лабораторий университетов с целью практического изучения различных курсов. В частности, на основе этого комплекта могут быть организованы лабораторные стенды, предназначенные для освоения современных методов проектирования цифровых устройств и встраиваемых микропроцессорных систем с динамически изменяемой архитектурой, мультимедийных систем, устройств цифровой обработки сигналов, систем обработки видеоизображения и микроконтроллеров различного назначения.