ZYNQ核心板学习笔记

以下文章来源于数字积木，作者数字积木

1，板卡概述

此款开发板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片，型号为 XC7Z020-2CLG484I，484 个引脚的 FBGA 封装。ZYNQ7000 芯片可成处理器系统部分 Processor System（PS）和可编程逻辑部分 Programmable Logic（PL）。在 该开发板上，ZYNQ7000 的 PS部分和 PL 部分都搭载了丰富的外部接口和设备，方便用户的使用和功能验证。另外开发板上集成了 JTAG_UART 下载器电路，用户只用一个 USB 线就可以对开发板进行下载和调试。下图为整个板卡的系统组成图 ：

该开发平台定位于初学者的入门学习以及功能开发验证使用。

开发平台所能含有的接口和功能如下：

USB TYPE-C电源输入接口，支持DP协议电源输入 ，支持5V,9V,12V 等电压配置，默认输入配置为12V ；

采用 TI的型号为 TPS82130SILT的 MicroSiP 电源模块 ，为板上提供 1.0V， 1.5V，1.8V，3.3V，5.0V等多路供电 ；

Xilinx ARM+FPGA 芯片 Zynq-7000 XC7Z020-2CLG484I

两片大容量的 4Gbit（共 8Gbit）高速 DDR3 SDRAM,可作为 ZYNQ 芯片数据的缓存，也可以作为操作系统运行的内存 ， DDR型号为 MT41K256M16TW-107IT 。

一片 256Mbit 的 QSPI FLASH, 可用作 ZYNQ 芯片的系统文件和用户数据的存储 ，flash型号为 N25Q128A13ESE40F ;

1 路 Micro SD 卡座，用于存储操作系统镜像和文件系统。

一片EMMC芯片 ，容量为 8Gbytes , 用于存储操作系统镜像和文件系统 ， 型号为 MTFC8GAKAJCN-4M。

一路10/100M/1000M以太网RJ45接口, 可用于和电脑或其它网络设备进行以太网数据交换;

一路 HDMI 图像视频输出接口, 能实现 1080P 的视频图像传输；

板载一个 33.333Mhz 的有源晶振，给 PS 系统提供稳定的时钟源，一个 50MHz 的有源晶振，为 PL 逻辑提供额外的时钟；

一路 USB JTAG 口，集成有JTAG和UART功能，通过 USB 线及板载的 JTAG 电路对 ZYNQ 系统进行调试和下载。

一片 IIC 接口的 EEPROM ，型号为 M24C08-WDW6TP ， 容量为 1Kbytes;

通过跳线帽进行启动模式修改，支持JTAG，SD卡，FLASH启动模式，方便用户开发调试 。

一路USB接口 ， 可用于开发板连接鼠标、键盘和 U 盘等 USB 外设;

2个FPGA状态指示灯（DONE ， INIT_B），用于方便查看FPGA的状态 。

2 个系统复位按键， 采用专用的复位芯片，用于控制芯片的系统复位 ；

4 个用户发光二极管 LED，包括2个单色LED和2个RBG LED ，均连接在PL端进行控制;

2 个FPGA状态指示灯 ，连接到FPGA的DONE和INIT引脚上，用于标识FPGA配置完成以及初始化状态。

3个电源状态指示灯，分别用于标识电源输入有效，调试口输入有效，以及电源模式输出有效。

2 个 PL 控制按键，4个微型拨码开关，均连接在PL端。

一片IIC接口的温度传感器芯片，可用于检测环境温度。

LCD屏幕接口，采用RGB888时序接口，支持显示屏幕 以及触摸功能。

板卡设计有OLCD屏幕接口，采用IIC接口，支持简单内容的显示。

一路风扇控制接口，12V供电，支持PWM风扇调速 。

2 路 40 针的扩展口（2.54mm 间距），用于扩展 ZYNQ 的 PL 部分的 IO。

2，结构尺寸

开发板的尺寸为精简的 80mm x 75mm, PCB 采用 10 层板设计。板子四周有 4 个螺丝定位孔，用于固定开发板，定位孔的孔径为 2.5mm(直径），下图为整个板卡的结构示意图：

板卡实物图如下 ：

3，电源设计

3.1 电源输入

采用USB TYPE-C电源输入为板卡供电，供电的USB连接器位号为 J21，LED9为电源输入指示灯 ，当电源输入有效时，LED9点亮 。

3.2 PD协议

通过CH224K芯片提供 PD 供电支持 ，支持5V,9V,12V 等电压请求，默认输入配置为12V 。

CH224 单芯片集成 USB PD 等多种快充协议，支持 PD3.0/2.0，BC1.2 等升压快充协议，支持 4V 至 22V 输入电压，自动检测VCONN 及interwetten与威廉的赔率体系 E-Mark 芯片，最高支持 100W 功率，内置 PD 通讯模块，集成度高，外围精简。集成输出电压检测功能，并且提供过温、过压保护等功能。可广泛应用于各类电子设备拓展高功率输入如无线充电器、电动牙刷、充电剃须刀、锂电池电动工具等各类应用场合。

CH224K 使用 Type-C 母口供电，电平配置支持 5/9/12/15/20V（图中电平方式配置为 12v），通过修改 CFG1 ，CFG2，CFG3的连接关系来配置请求电压 ，用户可修改 CFG 引脚的配置来调整输入请求电压 。实际请求的电压取决于电源适配器支持的输出模式 。

3.3 排针供电

板卡还设计有一路排针的电源接口 ，可作为电源输入或输出使用 。排针位号为 J6 ， 为 2.54mm 间距的 4PIN 单排排针 。

当用户不方便使用 Type-C 接口供电时， 也可使用该排针接口为板卡进行供电 ，输入电压支持 5V- 15V 范围 。

或者使用 Type-C 接口供电时，该接口也可支持为其他模块提供供电 。

3.4 电源模块

采用 TI的型号为 TPS82130SILT的 MicroSiP 电源模块 ，为板上提供 1.0V， 1.5V，1.8V，3.3V，5.0V等多路供电 ；通过 TI 的 TPS51200 生成 DDR3 需要的 VTT 和 VREF 电压。

TPS82130 是一款 17V 输入 3A 降压转换器 MicroSiP 电源模块，经优化具有小解决方案尺寸和高效率等特性。该模块集成了一个同步降压转换器和一个电感器，以简化设计、减少外部元件数量并缩小 PCB 面积。该模块采用紧凑的薄型封装，适合通过标准表面贴装设备进行自动组装。

TPS51200 器件是一款灌电流和拉电流双倍数据速率 (DDR) 终端稳压器，专门针对低输入电压、低成本、低噪声的空间受限型系统而设计。

各个电源分配的功能如下表所示：

因为 ZYNQ 的 PS 和 PL 部分的电源有上电顺序的要求，在电路设计中，按照ZYQN 的电源要求设计，上电依次为 1.0V -> 1.5V -> 1.8 V -> 3.3V -> 5.0V 。下图为电源的电路设计：

3.5FPGA供电系统

ZYNQ 芯片的电源分 PS 系统部分和 PL逻辑部分，两部分的电源分别是独立工作。PS 系统部分的电源和 PL 逻辑部分的电源都有上电 顺序，不正常的上电顺序可能会导致 ARM 系统和 FPGA 系统无法正常工作。

PS 部分的电源有 VCCPINT、VCCPAUX、VCCPLL 和 PS VCCO。VCCPINT 为 PS 内核供电引脚，接 1.0V；VCCPAUX 为 PS 系统辅助供电引脚，接 1.8V；VCCPLL 为 PS 的内部时钟PLL 的电源供电引脚，也接 1.8V；PS VCCO 为 BANK 的电压，包含 VCCO_MIO0，CCO_MIO1 和 VCCO_DDR，根据连接的外设不同，连接的电源电源也会不同，在该核心板上，VCC_MIO0 连接 3.3V， VCCO_MIO1 连接 1.8V，VCCO_DDR 连接 1.5V。PS 系统要求上电顺序分别为先 VCCPINT 供电，然后 VCCPAUX 和 VCCPLL，最后为 PS VCCO。断电的顺序则相反。

PL 部分的电源有 VCCINT, VCCBRAM, VCCAUX 和 VCCO。VCCPINT 为 FPGA 内核供电引脚，接 1.0V；VCCBRAM 为 FPGA Block RAM 的供电引脚；接 1.0V；VCCAUX 为 FPGA辅助供电引脚, 接 1.8V；VCCO 为 PL 的各个 BANK 的电压，包含 BANK13，BANK34，BANK35，在 AX7020 开发板上，BANK 的电压连接 3.3V。PL 系统要求上电顺序分别为先VCCINT 供电，再是 VCCBRAM, 然后是 VCCAUX，最后为 VCCO。如果 VCCINT 和 VCCBRAM的电压一样，可以同时上电。断电的顺序则相反。

4，ZYNQ7000

4.1 主芯片介绍

开发板使用的是 Xilinx 公司的 Zynq7000 系列的芯片，型号为 XC7Z020-2CLG484I。

zynq7000系列的结构如下图所示。芯片的 PS 系统集成了两个 ARM Cortex-A9 处理器，AMBA互连，内部存储器，外部存储器接口和外设，外设主要包括 USB 总线接口，以太网接口，SD/SDIO 接口，I2C 总线接口，CAN 总线接口，UART 接口，GPIO 等。

PL端结构与A7系列相似，大体就包括电源模块、时钟CMT、IO模块（IOB、GTP、memory interface、pcie）、CLB、BRAM、GTP、DSP、jtag调试口等。

PS端包含1个APU单元，APU内有两个cotex-a9核用于运算，一个SCU用于处理数据的一致性，然后包含L1、L2级缓存，一个GIC用于中断控制，一个256KB SRAM用于程序运行，另外包含TTC、看门狗、DAP调试口等。PS端还包含一个Central Interconnect，用于互连IOP（CAN、SPI、UART、SD、USB、ETHERNET等外设），互连flash，互连DDR，互连OCM Interconnect。PS端还包含clock生成模块、复位模块等。

4.2 ZYNQ7000命名规则

Zynq其命名规则遵循一定的规则和约定。型号由系列代号，数字序列，速度等级，封装类型，温度等级等部分组成， 例如，Zynq-7000系列包括Zynq-7010、Zynq-7020、Zynq-7030、Zynq-7040、Zynq-7100、等型号，其中数字和字母的组合表示不同的芯片性能等级，速度等级包括 -1 ，-L1，-2 ，-L2，-3等，温度等级支持商业级，工艺级等。详细内容见于下图 ：

4.3 芯片资源

PS 系统部分的主要参数如下：

基于 ARM 双核 CortexA9 的应用处理器

每个 CPU 32KB 1 级指令和数据缓存，512KB 2 级缓存 2 个 CPU 共享

片上 boot ROM 和 256KB 片内 RAM

外部存储接口，支持 16/32 bit DDR2、DDR3 接口

两个千兆网卡支持：发散-聚集 DMA ，GMII，RGMII，SGMII 接口

两个 USB2.0 OTG 接口，每个最多支持 12 节点

两个 CAN2.0B 总线接口

两个 SD 卡、SDIO、MMC 兼容控制器

2 个 SPI，2 个 UARTs，2 个 I2C 接口

4 组 32bit GPIO，54（32+22）作为 PS 系统 IO，64 连接到 PL

PS 内和 PS 到 PL 的高带宽连接

PL 逻辑部分的主要参数如下：

逻辑单元 Logic Cells：85K

查找表 LUTs: 53,200

触发器(flip-flops): 106,400

乘法器 18x25MACCs：220

Block RAM：4.9 Mb

两个 AD 转换器,可以测量片上电压、温度感应和高达 17 外部差分输入通道，最大转换速率为1MBPS

4.4 各bank电压

该主芯片的各个BANK功能以及BANK描述如下 ：

FPGA的器件管脚按照Bank进行划分，每个Bank独立供电，以使FPGA I/O适应不同电压标准，增强I/O设计的灵活性。主芯片各个板卡的设计如下表：

4.5 调试接口

板卡集成由一路 USB JTAG 口，集成有JTAG和UART功能，通过 USB 线及板载的 JTAG 电路对 ZYNQ 系统进行调试和下载，无需外置仿真器和串口调试器。用户无需购买额外的下载器，只要一根 USB 线就能进行 ZYNQ 的开发和调试了，调试的USB接口位号为 J8 。当调试USN输入有效时，LED10会点亮。

通过 FT2232H 提供JTAG和UART支持 。FT2232H是一个USB2.0高速（每秒480兆位）至UART/FIFO 芯片。具有在多种工业标准串行或并行接口配置的能力。有两个多协议同步串行引擎（MPSSE）允许使用JTAG，I2C和SPI两个通道同时进行通信。多协议同步串行引擎 (MPSSE) 是某些 FTDI 客户端 IC 的一项功能，允许模拟多种同步串行协议，包括 SPI、I2C 和 JTAG。

5，时钟配置

板上分别为 PS 系统和 PL 逻辑部分提供了有源时钟， PS 系统和 PL 逻辑可以单独工作。

5.1 PS系统时钟源

ZYNQ 芯片通过开发板上的 X1 晶振为 PS 部分提供 33.333MHz 的时钟输入，3.3V 供电。时钟的输入连接到 ZYNQ 芯片的 BANK500 的 PS_CLK_500 的管脚上。其原理图如图 所示：

时钟引脚分配：

5.2 PL系统时钟源

板上提供了单端 50MHz 的 PL 系统时钟源，3.3V 供电。晶振输出连接到FPGA 的全局时钟(MRCC)，这个 GCLK 可以用来驱动 FPGA 内的用户逻辑电路。该时钟源的原理图如图所示

时钟引脚分配：

6，PS端设计

6.1 启动模式配置

板卡支持三种启动模式。这三种启动模式分别是 JTAG 调试模式,QSPI FLASH 和 SD 卡启动模式。ZYNQ 芯片上电后会检测响应 MIO 口的电平来决定那种启动模式。用户可以通过核心板上的跳线来选择不同的启动模式 。

ZYNQ7000 完整的启动模式MIO配置如下表 （节选自UG585）：

6.2 QSPI FLASH

开发板配有一片 256Mbit 大小的 Quad-SPI FLASH 芯片，型号为 N25Q128A13ESE40F ，它使用3.3V CMOS 电压标准。由于 QSPI FLASH 的非易失特性，在使用中， 它可以作为系统的启动设备来存储系统的启动镜像。这些镜像主要包括 FPGA 的 bit 文件、ARM 的应用程序代码以及其它的用户数据文件。

SPI FLASH 连接到 ZYNQ 芯片的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上，在系统设计中需要配置这些 PS 端的 GPIO 口功能为 QSPI FLASH 接口。

配置芯片引脚分配：

6.3 EMMC

板配有一片大容量的 8GB 大小的 eMMC FLASH 芯片，型号为MTFC8GAKAJCN-4M，它支持 JEDEC e-MMC V5.0 标准的 HS-MMC 接口，电平支持 1.8V或者 3.3V。eMMC FLASH 和 ZYNQ 连接的数据宽度为 4bit。

由于 eMMC FLASH 的大容量和非易失特性，在 ZYNQ 系统使用中，它可以作为系统大容量的存储设备，比如存储 ARM 的应用程序、系统文件以及其它的用户数据文件。

EMMC 连接到了 ZYNQ 的 PS 端接口，接口采用 SD 模式。EMMC 具备体积小，容量大，使用方便，速度快等优点，数据时钟可以达到 50MHZ。由于直接焊接在板上，因此可以在震动或者环境相对恶劣的场合使用。

eMMC FLASH 连接到 ZYNQ 的 PS 部分 BANK500 的 GPIO 口上，在系统设计中需要配置这些 PS 端的 GPIO 口功能为 EMMC 接口。

EMMC 的电路设计如下：

EMMC 的参数如下:

芯片类型:MTFC8GAKAJCN-4M

容量:8G Byte

厂家:Micron

EMMC芯片引脚分配：

6.4 以太网

板卡设计有一路10/100M/1000M以太网RJ45接口, 可用于和电脑或其它网络设备进行以太网数据交换;

板上通过 Realtek RTL8211E-VL 以太网 PHY 芯片用户提供网络通信服务 ，RTL8211E是Realtek瑞昱推出的一款高集成的网络接收PHY芯片，它符合10Base-T，100Base-TX和1000Base-T IEEE802.3标准，该芯片在网络通信中属于物理层，用于MAC与PHY之间的数据通信。目前有RTL8211E-VB-CG、RTL8211E-VL-CG、RTL8211EG-VB-CG等三个版本。

以太网 PHY 芯片是连接到 ZYNQ 的 PS 端 BANK501 的 GPIO 接口上。RTL8211E-VL 芯片支持 10/100/1000 Mbps 网络传输速率，通过 RGMII 接口跟 Zynq7000 PS 系统的 MAC 层进行数据通信。RTL8211E-VL 支持ＭDI/MDX 自适应，各种速度自适应，Master/Slave 自适应，支持 MDIO 总线进行 PHY 的寄存器管理。

RTL8211E的电路设计如下：

RTL8211E-VL 上电会检测一些特定的 IO 的电平状态，从而确定自己的工作模式。配置电路以及配置项如下图所示：

当网络连接到千兆以太网时，FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的数据传输时通过 RGMII总线通信，传输时钟为 125Mhz，数据在时钟的上升沿和下降样采样。

当网络连接到百兆以太网时，FPGA 和 PHY 芯片 RTL8211E-VL 的数据传输时通过 RMII总线通信，传输时钟为 25Mhz。数据在时钟的上升沿和下降样采样。

以太网引脚分配如下：

6.5 DDR

板上配有两个的4Gbit（512MB）的DDR3芯片(共计8Gbit),型号为 MT41K256M16TW-107IT 。DDR的总线宽度共为32bit。该DDR3存储系统直接连接到了ZYNQ处理系统（PS）的BANK 502的存储器接口上。

DDR3 的硬件设计需要严格考虑信号完整性，在电路设计和 PCB 设计的时候已经充分考虑了匹配电阻/终端电阻,走线阻抗控制，走线等长控制， 保证 DDR3 的高速稳定的工作。

DDR的电路设计如下图 ：

6.6 SD 卡

板包含了一个Micro型的SD卡接口，以提供用户访问SD卡存储器，用于存储ZYNQ芯片的BOOT程序，Linux操作系统内核, 文件系统以及其它的用户数据文件。SDIO信号与ZYNQ的PS BANK501的IO信号相连，因为该BANK的VCCMIO设置为1.8V，但SD卡的数据电平为3.3V, 我们这里通过 MAX13035EETE+ 电平转换器来连接。

SD卡的电路设计如下：

SD 卡槽引脚分配

6.7 USB

板卡使用的USB2.0收发器是一个1.8V的，高速的支持ULPI标准接口的USB3320C-EZK。ZYNQ的USB总线接口和USB3320C-EZK收发器相连接，实现高速的USB2.0 Host模式和Slave模式的数据通信。USB3320C的USB的数据和控制信号连接到ZYNQ芯片PS端的BANK501的IO口上 。

USB2.0 引脚分配 ：

7，PL端外设

7.1 用户LED

板卡设计有4 个用户发光二极管 LED，包括2个单色LED和2个RBG LED ，均连接在PL端进行控制 ;

LED通过 TXS0108 电平转换芯片连接到FPGA的引脚 ， FPGA一侧的的IO电压为1.8V。当FPGA的IO电平为低时，LED点亮。

LED灯的电路设计如下 ;

LED的 引脚分配 ：

7.2 按键

板卡设计有 2 个 PL 控制按键 ,连接在PL端 , FPGA一侧的的IO电压为1.8V ，当按键按下时，FPGA侧检测到高电平，按键松开时，检测到低电平。按键的电路设计如下：

按键的引脚分配如下：

7.3 编码开关

板卡设计有4个微型拨码开关，连接在PL端，FPGA一侧的的IO电压为1.8V 。

编码开关的引脚分配如下：

7.4 调试串口

调试串口设计在PL端，连接到FT2232芯片的串口收发引脚上，IO电平为3.3V。

7.5 EEPROM

板卡设计有一片 IIC 接口的 EEPROM ，型号为 M24C08-WDW6TP ， 容量为 1Kbytes;

7.6 风扇控制

板卡设计有一路风扇控制接口，12V供电，支持PWM风扇调速 。风扇的控制由 ZYNQ 芯片来控制，控制管脚连接到 FPGA的 IO ，如果 IO 电平输出为高，MOSFET 管导通，风扇工作，如果 IO 电平输出为低，风扇停止。板上的风扇设计图如下图 所示:

7.7 OLED接口

板卡设计有OLCD屏幕接口，采用IIC接口，支持简单内容的显示。采用4PIN 2.54间距的单排排针，包括3.3V供电，地，SDA，SCL信号 。

7.8 温度传感器

板卡设计有一片IIC接口的温度传感器芯片，可用于检测环境温度。

7.9 HDMI

板卡设计有一路 HDMI 图像视频输出接口, 能实现 1080P 的视频图像传输；开发板上通过 FPGA 的差分 IO直接连接到 HDMI 接口的差分信号和时钟，在 FPGA 内部实现 HMDI 信号的差分转并行再进行编解码，实现 DMI 数字视频输入和输出的传输解决方案，最高支持 1080P@60Hz 的输入和输出的功能。

板卡上采用 TPD12S016RKTR 芯片作为HDMI的接口防护芯片 。TPD12S016 是一款单芯片高清多媒体接口 (HDMI) 器件，具有自动方向感应 I2C 电压电平转换缓冲器、负载开关和集成式低电容高速静电放电 (ESD) 瞬态电压抑制 (TVS) 保护二极管。通过 55mA 限流 5V 输出 (5V_OUT) 为 HDMI 电力线供电。5V_OUT 和热插拔检测 (HPD) 电路的控制与 LS_OE 控制信号无关，其通过 CT_HPD 引脚进行控制，使得在启用 HDMI 链路前即可激活检测方案（5V_OUT 和 HPD）。SDA、SCL 和 CEC 线路上拉到 A 侧的 VCCA。在 B 侧，CEC_B 引脚上拉到内部 3.3V 电源轨，SCL_B 和 SDA_B 均上拉到 5V 电源轨 (5V_OUT)。SCL 和 SDA 引脚满足 I2C 规范，可驱动高达 750pF 电容负载，超出了 HDMI 1.4 规范。HPD_B 端口配有毛刺脉冲滤波器，可在插入 HDMI 连接器时避免由插座跳起引起的错误检测。TPD12S016 的 5V_OUT 引脚具有反向电流阻断功能。系统断电时，SCL_B、SDA_B 和 CEC_B 引脚也具有反向电流阻断功能。

HDMI接口的引脚定义如下 ：

7.10 RGB_LCD

板卡设计有LCD屏幕接口，采用RGB888时序接口，支持显示屏幕以及触摸功能 。采用FPC连接器和屏幕相连接，FPC引脚定义兼容正点原子的LCD RGB屏幕接口，用户可自行购买正点原子的RGB LCD显示屏幕进行开发调试 。

RGB_LCD接口的引脚定义如下 ：

7.11 扩展口

扩展口 J2 和J30J均为 40 管脚的 2.54mm 的双排连接器，为用户扩展更多的外设和接口，扩展口上包含 5V 电源 1 路，3.3V 电源 2 路，地 3 路，IO 口 34 路。IO 口的信号连接到 ZYNQ PL 的 BANK13 和 BANK34 上，电平为 3.3V。

切勿直接跟 5V 设备直接连接，以免烧坏 FPGA。如果要接 5V 设备，需要接电平转换芯片。

在扩展口和 FPGA 连接之间串联了 ESD （Electro-Static discharge ， 静电放电） 防护芯片 ，用于保护 FPGA 以免外界电压或电流过高造成损坏。

PCB 设计上 P 和 N 的走线使用差分走线，控制差分阻抗为 100 欧姆。扩展口(J2 J3)，ESD的电路如图 下所示：

J2 扩展口原理图

J3 扩展口原理图

ESD防护芯片原理图（部分）

ESD防护芯片具有静电和浪涌保护功能，选用型号为：RCLAMP0524P ， 具体的参数如下。

J2扩展口引脚分配

J3扩展口引脚分配

8，其他资源

8.1 供电以及状态灯

板卡设计有2 个FPGA状态指示灯 ，连接到FPGA的DONE和INIT引脚上，用于标识FPGA配置完成以及初始化状态。

板卡设计有3个电源状态指示灯，分别用于标识电源输入有效，调试口输入有效，以及电源模式输出有效。

8.2 对外接口

板卡对外接口列表如下：