Zynq7000系列之芯片系统结构概述

　　相比较经典的FPGA，Zynq7000系列最大的特点是将处理系统PS和可编程资源PL分离开来，固化了PS系统的存在，实现了真正意义上的SOC（System On Chip）。

1. Zynq7000系列特征概述

Zynq7000系列是全可编程片上系统，主要包含PS（processing system）和PL（Programmable Logic）两部分。PL采用28nm工艺；PS以2个Cortex A9的ARM核为核心，还包括片上存储器、片外存储器接口（DDR）和一系列的外设接口。Zynq7000系列将ARM CPU和外设集成在一个芯片内，使得Zynq7000系列皆具处理器和FPGA双重特性，特别适用于软硬件协同设计。



图1 Zynq-7000 All Programmable SoC Overview

1.1. PS部分特征

双Cortex-A9 ARM核

2.5 DMIPS/MHz per CPU

CPU frequency最高达1GHZ

单精度和双精度的向量浮点单元VFPU

3个看门狗定时器

1个全局定时器

2个 triple-timer 计数器

Caches

每个CPU独立拥有32KB1级cache

两个CPU共享512KB的2级cache

On-Chip Memory

片上自举ROM（boot rom）

256KB片上RAM

External Memory Interfaces

16-bit or 32-bit DDR接口（DDR3, DDR3L, DDR2, or LPDDR2），当器件为DDR3时，最高数据速度可达1066 Mb/s。DDR 控制器有4个数据端口可用于对DDR的读写，分别命名为A、B、C、D。A专用于ARM CPU，B、C专门用于PL部分；D连接到interconnect.单元，可被interconnect上的其他主设备访问。

最高达1GB的地址空间

静态存储器接口（8-bit SRAM，Parallel NOR flash，ONFI1.0 NAND flash，1-bit SPI, 2-bit SPI, 4-bit SPI (quad-SPI), or two quad-SPI (8-bit) serial NOR flash）

8-Channel DMA Controller

支持Memory-to-memory, memory-to-peripheral, peripheral-to-memory, scatter-gather 交易。总线接口为64-bit AXI interface，其中有4个通道专用于与PL部分的通信。

I/O Peripherals and Interfaces

2个 10/100/1000 tri-speed Ethernet MAC peripherals，接口为GMII, RGMII, and SGMII

2个 USB 2.0 接口

2个 CAN 2.0接口

2个SD 卡接口

2个双向SPI接口

2个高速UART接口

两个IIC接口

GPIO

共118个，其中54个从PS直接连出去GPIO口（通过MIO），64个连接到PL的GPIO口；

最多54可复用IO（MIO）用于外设如USB、UART等的引脚分配，若使能的外设比较多，MIO个数不够时，可以将某些外设的引脚连接到PL，由PL通过通用IO口连接外部设备。如下图所示，并不是所有外设IOP都可以连接到PL，如USB就不可以连接到PL。



图2 MIO Module Block Diagram

Interconnect

APU,、存储器单元、外设IOP、PL通过interconnect实现高速互联，interconnect支持多个主从设备的互相访问

PS部分启动方式

PS部分采用众所周知的多阶段启动法，支持NOR, NAND, Quad-SPI, SD,or JTAG.启动。

地址映射



图2 Zynq7000系列地址映射图

1.2. PL部分特征

该部分资源数目因器件型号不同而不同，以下所列数目皆为XQ7Z045的资源数。

Configurable Logic Blocks (CLB)

　　　　CLB=305K/2个；

36 Kb Block RAM

　　　　545个

Programmable DSP Slices

　　　　900个，主要是18X25的乘法器和48bit宽度的加法器；

JTAG Boundary-Scan

PCI Express Block

　　　　Gen2 Speed（5Gbps），最多8个。

Serial Transceivers

　　　　最多16个，最高速度10.3125Gbps

Two 12-Bit Analog-to-Digital Converters

　　　　2个12bit的数模转换器，最高转换速度1MSPS，最多支持17个外部输入。

时钟资源

　　　　XQ7Z045包含8个CMT，即8个MMCM+8个PLL；其输出时钟相位可为45°、90°、135°、180°、225°、275°、315°；

1.3. PS-PL 接口

PS和PL部分之间有多个接口，具体包括：

1、AXI类数据接口

2个32bit的AXI 主接口

2个32bit的AXI从接口

专用于PL访问DDR控制器的32/64bit的AXI从接口

1个64bit的访问CPU存储器的从接口

2、其他接口

DMA通道信号

PS的中断输入信号

事件信号

触发信号

EMIO

PS提供给PL的时钟信号及复位信号

XADC接口

JTAG接口