【正点原子FPGA连载】第二章实验平台简介--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之FPGA开发指南

正点原子

1）实验平台：正点原子领航者ZYNQ开发板
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第二章实验平台简介

本章内容主要向大家简要介绍我们的实验平台：领航者ZYNQ开发板。通过本章的学习，你将对我们后面使用的实验平台有个快速的了解，为后面的学习做铺垫。
本章包括以下几个部分：
22.1领航者ZYNQ开发板资源初探
2.2领航者ZYNQ开发板资源说明

2.1领航者ZYNQ开发板资源初探
正点原子目前已经拥有多款 STM32、I.MXRT以及FPGA开发板，这些开发板常年稳居淘宝销量冠军，累计出货超过10W套。这款ZYNQ开发板，是正点原子针对中高端应用场景所推出的开发板，采用核心板+底板的设计，方便用户对核心板进行二次开发。
2.1.1领航者开发板底板资源
首先我们来看领航者ZYNQ开发板的底板资源图，如图 2.1.1所示。

图 2.1.1 领航者ZYNQ开发板底板资源图

从图 2.1.1可以看出，领航者ZYNQ开发板底板资源非常丰富，把ZYNQ芯片内部的资源发挥到了极致，同时扩充了丰富的接口和功能模块，整个开发板显得十分高端和大气。
开发板的外形尺寸为120mm*160mm，板子的设计充分考虑了人性化设计，并结合正点原子多年的开发板设计经验，经过多次改进，最终确定了这样的设计。
正点原子领航者开发板底板资源如下：
1个核心板接口，支持ZYNQ7020/ZYNQ-7010核心板
EEPROM芯片：AT24C64，容量：64Kbit（8K字节）
1个电源指示灯（蓝色）
2个PL LED（红色）
2个PS LED（红色）
1个有源蜂鸣器
1个PL复位按键
2个PL功能按键
2个PS功能按键
1个电容触摸按键
1路CAN接口，CAN收发器采用TJA1050芯片
1路RS232串口（母）接口，采用SP3232芯片
1路RS485接口，和RS232的接口复用
1个RS232/RS485选择接口
1个CAN选择接口
1个标准的RGB888 TFT-LCD接口
1个XADC接口
1个OLED/摄像头模块接口
1个20x2扩展口，共36个扩展IO口
1个RTC实时时钟，芯片型号为PCF8563
1个RTC电池座，并带电池
1个ATK MODULE接口，支持正点原子蓝牙/GPS/UART等模块
1个BOOT模式选择开关
1个电源指示灯
1路音频输出接口
1路音频输入接口
1个高性能音频编解码芯片WM8960，支持录音、音频输入和音频输出
1个录音头（MIC/麦克风）
1个小扬声器（位于开发板背面）
1路HDMI输入/输出接口
4路USB HOST接口
1路USB SLAVE接口
14-Pin JTAG接口，提供开发板下载和调试的功能
1组5V电源供应/接入口
1组3.3V电源供应/接入口
3路3.3V电源口和3路5V电源口，方便给外扩模块供电
1个电源开关，控制整个开发板的电源
1个直流电源输入接口（输入电压范围：DC6~16V）
1个PL端千兆以太网接口（RJ45）
1个PS端千兆以太网接口（RJ45）
1个Micro SD（TF）卡接口（位于开发板背面）
1个USB串口
领航者ZYNQ开发板底板的特点包括：
1)接口丰富。板子提供了丰富的标准外设接口，可以方便的进行各种外设的实验和开发。
2)设计灵活。我们采用核心板+底板的形式，板上很多资源都可以灵活配置，以满足不同条件下的使用；板上很多资源都可以灵活配置，以满足不同条件下的使用。其中芯片左下侧引出一排20x2扩展口，共36个扩展IO口。
3)资源充足。板载高性能音频编解码芯片、HDMI接口、RGB LCD接口、1个PL千兆网口+1个PS千兆网口、4个USB HOST接口+1个USB SLAVE接口以及各种接口芯片，满足各种应用需求。
4)人性化设计，各个接口都有丝印标注，且用方框框出，使用起来一目了然；部分常用外设大丝印标出，方便查找；接口位置设计合理，方便顺手。资源搭配合理，物尽其用。
2.1.2领航者开发板核心板资源
接下来我们来看领航者ZYNQ核心板资源图，正点原子的ZYNQ核心板根据主控芯片和DDR3内存容量的不同分为ZYNQ-7020核心板和ZYNQ-7010核心板。领航者ZYNQ-7020核心板和领航者ZYNQ-7010核心板的资源图分别如图 2.1.2和图 2.1.3所示：

图 2.1.2 ZYNQ-7020核心板资源图

图 2.1.3 ZYNQ-7010核心板资源图

由图 2.1.2和图 2.1.3可知，ZYNQ核心板板载资源丰富，可以满足各种应用的需求。整个核心板的外形尺寸为45mm*60mm，非常小巧，并且采用了贴片板对板连接器，使得其可以很方便的应用在各种项目上。
ZYNQ-7020核心板和ZYNQ-7010核心板除ZYNQ主控芯片和DDR3存储容量不同外，其余外设完全相同。ZYNQ-7020核心板和ZYNQ-7010核心板具体资源如下：
ZYNQ芯片采用Xilinx公司的ZYNQ7000系列芯片，ZYNQ-7020核心板的ZYNQ芯片型号为XC7Z020CLG400-2，PL逻辑单元多达85K，BRAM存储资源为4.9Mbit；ZYNQ-7010核心板的ZYNQ芯片型号为XC7Z010CLG400-1，PL逻辑单元多达28K，BRAM存储资源为2.1Mbit；两种ZYNQ芯片的处理器系统均为双核Cortex-A9结构。需要注意的是，ZYNQ-7020核心板主控芯片的速度等级为“-2”，ZYNQ-7010核心板主控芯片的速度等级为“-1”，因此ZYNQ-7020核心板主控芯片的速度等级更高，所支持的频率也更高
2片DDR3 SDRAM，ZYNQ-7020核心板的DDR3型号为NT5CB256M16EP-DI，每片4Gbit，总容量为8Gbit（1GB）；ZYNQ-7010核心板的DDR3型号为NT5CB128M16IP-DI，每片2Gbit，总容量为4Gbit（512MB）
1个1x6下载接口，与底板的14-Pin JTAG接口功能一致
1个PL LED
1个PS LED
1个PL晶振：50Mhz，给PL可编程逻辑提供时钟
1个PS晶振：33.333Mhzz，给PS CPU逻辑提供时钟
1个电源指示灯
1个PL配置状态指示灯（DONE LED）
1个PS端千兆以太网PHY芯片：RTL8211E-VL
1个PS复位按键
1个QSPI FLASH，型号W25Q256FVEI，容量：256Mbit（32MB）
1个eMMC，型号为KLM8G1GETF，容量：8GB。
领航者ZYNQ开发板底板的特点包括：
1)体积小巧。核心板仅45mm*60mm 大小，方便使用到各种项目里面。
2)集成方便。核心板使用两个2*40P BTB连接座，可以非常方便的集成到客户PCB上，更换简单，方便维修测试。
3)资源丰富。核心板板载1GB/512MB DDR3、32MB QSPI Flash、8GB eMMC存储器，可以满足各种应用场合
4)性能稳定。核心板采用10层板设计，单独地层、电源层，保证运行稳定、可靠。
5)人性化设计。核心板各种放有详细丝印，使用起来一目了然。资源搭配合理，物尽其用。
6)接口丰富。板子提供了丰富的标准外设接口，可以方便的进行各种外设的实验和开发。
2.2领航者ZYNQ开发板资源说明
领航者ZYNQ开发板资源说明分为两个部分：硬件资源说明和软件资源说明。
2.2.1硬件资源说明
领航者ZYNQ开发板分别为ZYNQ的PL端和PS端配备了丰富的硬件外设，如下图所示：

图 2.2.1 领航者ZYNQ开发板硬件资源框图

XC7Z020和XC7Z010芯片的PS端IO bank包括Bank 502、Bank 501和Bank 500，PL端的IO bank包括Bank 13、Bank 34和Bank 35，我们分别为PS端和PL端的IO连接了不同的外设，如图 2.2.1所示。
下面我们分别介绍领航者ZYNQ核心板和底板上的硬件资源。
底板外设简介：
1.有源蜂鸣器
领航者底板板载一个有源蜂鸣器（BEEP），可以实现简单的报警/闹铃。
2.1个PL复位按键
领航者底板板载一个PL端的复位按键（PL_RESET），可以作为ZYNQ PL端逻辑的复位信号，按键复位信号默认是高电平的，当复位按键按下之后为低电平。
3.2个PL LED
领航者底板板载2个PL LED灯（PL_LED0~PL_LED1），连接到了PL端的IO口上。在调试代码的时候，使用LED来指示程序执行状态，是非常不错的一个辅助调试方法。
4.2个PL功能按键
领航者底板板载2个机械式按键（PL_KEY0~PL_KEY1）是直接连接在PL端的IO口上的，可以作为人机交互的输入信号。这2个按键信号默认都是高电平的，当按键被按下之后，按键信号变为低电平。
5.2个PS LED
领航者底板板载2个PS LED灯（PS_LED0~PS_LED1），LED连接到了PS端的IO口上。
6.2个PS功能按键
领航者底板板载2个机械式按键（PS_KEY0、PS_KEY1），按键都是直接连接在PS端的IO口上的，可以作为人机交互的输入信号。这2个按键信号默认都是高电平的，当按键被按下之后，按键信号变为低电平。
7.1个触摸按钮
领航者底板板载1个电容触摸输入按键（TPAD），触摸方案采用AR101芯片，该芯片利用电容充放电原理，实现触摸按键检测的功能。当手指触摸TPAD按键时，触摸芯片输出高电平，松开为低电平。
8.USB转串口
领航者底板板载一个PS端的USB转串口，之所以设计成USB形式的串口，是出于现在电脑上串口正在消失，尤其是笔记本，几乎清一色的没有串口。所以板载了USB串口可以方便大家进行USB串口通信的试验。同时这个USB接口还可以给开发板提供电源，但是其最大电流只有500mA，但是在运行PS端的ARM处理器时它却不能够提供足够大的电流，所以还是建议大家使用专门的电源适配器来为开发板供电。
9.RS232接口(母头)
领航者底板板载一个普通RS232接口，通过一个标准的DB9母头和外部的串口连接。通过这个接口，领航者可以连接带有串口的电脑或者其他设备，实现串口通信的功能。
10. RS485接口
领航者底板板载一个RS485接口，通过一个两PIN的端子和外部的485接口连接。通过这个接口，领航者可以连接带有RS485接口的开发板或者其他设备，实现RS485通信的功能。这里提醒大家，两个RS485接口进行通信的时候，必须A接A，B接B，否则可能通信不正常！
11. RGB TFT-LCD接口
领航者底板板载一个RGB LCD接口，可以连接各种分辨率的正点原子RGB LCD屏，采用的是RGB888格式，可显示1677万色，色彩显示丰富。并且支持触摸的功能。
12. XADC接口
领航者底板板载一个XADC接口（J1），用于测量外部输入的模拟电压，范围为0~1V。ZYNQ内部的XADC模块既可以测量ZYNQ芯片内部的温度和电压，也可以用来测量外部的模拟电压。
13. OLED/摄像头模块接口
领航者底板板载一个OLED/摄像头模块接口（P2）。如果是正点原子的摄像头模块，则刚好可以直接插上去。通过这个接口，可以分别完成OLED显示或者摄像头显示实验。
14. EEPROM (AT24C64)
领航者底板板载一个I2C接口的EEPROM芯片，容量为64Kbit，也就是8K字节。用于存储一些掉电不能丢失的重要数据，比如系统设置的一些参数等。有了这个就可以方便的实现掉电数据保存。
15. RTC实时时钟
领航者底板板载一个RTC实时时钟芯片（U6），芯片型号为PCF8563。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级多功能时钟/日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务。
16. 电池接口
领航者底板板载一个RTC实时时钟的供电接口（BAT1），可以保证在开发板断电时，实时时钟仍然能够继续工作，这样的话，配置的日期与时间不会因开发板的断电而恢复到默认值。
17. ATK MODULE接口
领航者底板板载一个ALIENTEK通用模块接口（U4），目前可以支持ALIENTEK开发的GPS模块、蓝牙模块、MPU6050模块和全彩RGB灯模块等，直接插上对应的模块，就可以进行相关模块的开发。后续我们将开发更多兼容该接口的其他模块，实现更强大的扩展性能。
18. BOOT模式选择开关
领航者底板板载一个ZYNQ的BOOT模式选择开关（BOOT_CFG），用于设置PS端在上电后的启动源，包括JTAG、NAND、QSPI FLASH和SD Card。
19. 电源指示灯
领航者底板板载1颗蓝色的LED灯（PWR），用于指示电源状态。在电源开启的时候电源指示灯会处于点亮的状态，否则为熄灭的状态。通过这个LED，可以判断开发板的上电情况。
20. 耳机输出接口
领航者底板板载1个音频输出接口（PHONE），该接口可以插入3.5mm的耳机。当WM8960播放音乐的时候，就可以通过在该接口插入耳机来欣赏音乐。
21. 音频输入接口
领航者底板板载1个音频输入接口（LINE_IN），该接口可以通过音频线来连接电脑或者手机的耳机接口。
22. MIC(麦克风)
领航者底板板载1个录音输入口（MIC，即麦克风），该麦克风直接连接到WM8960的录音输入通道上，可以实现录音的功能。
23. 扬声器
这是开发板自带的一个小喇叭（SPEAKER），安装在开发板的背面，可以用来播这放音乐。该喇叭由WM8960直接驱动。
24. HDMI接口
领航者底板板载1个HDMI（High Definition Multimedia Interface，HDMI）接口，该接口可以连接到HDMI显示器上，从而显示出视频或者图片等。开发板没有板载HDMI的PHY芯片，HDMI的PHY编解码功能由ZYNQ PL逻辑来模拟实现。
25. 14-Pin JTAG接口
领航者底板板载1个14针标准JTAG调试口（JTAG），该JTAG口与核心板的6-Pin JTAG接口在硬件上是连在一起的，可以直接和FPGA下载器（调试器）连接，用于下载程序或者对程序进行在线调试。
26. 3.3V电源输入/输出
领航者底板板载1组3.3V电源输入输出排针（2*3），用于给外部提供3.3V的电源，也可以从外部接3.3V的电源给板子供电。大家在做实验的时候可能经常会为没有3.3V电源而苦恼不已，有了领航者ZYNQ开发板，你就可以很方便的拥有一个简单的3.3V电源（最大电流不能超过500mA）。
27. 5V电源输入/输出
领航者底板板载1组5V电源输入输出排针（2*3），该排针用于给外部提供5V 的电源，也可以从外部接5V的电源给板子供电。同样大家在实验的时候可能经常会为没有5V电源而苦恼不已，正点原子充分考虑到了大家的需求，有了这组5V排针，你就可以很方便的拥有一个简单的5V电源（USB供电的时候，最大电流不能超过500mA，外部供电的时候，最大可达1000mA）。
28. 电源开关
领航者底板板载1个电源开关（K1）。该开关用于控制整个开发板的供电，如果通过开关切断电源，则整个开发板都将断电，电源指示灯（PWR）会随着此开关的状态而亮灭。
29. DC6~16V电源输入
领航者底板板载1个外部电源输入口（DC_IN），采用标准的直流电源插座。开发板板载了DC-DC芯片（JW5060T），用于给开发板提供高效、稳定的5V电源。由于采用了DC-DC芯片，所以开发板的供电范围十分宽，大家可以很方便的找到合适的电源（只要输出范围在DC6~16V 的基本都可以）来给开发板供电。在耗电比较大的情况下，比如用到4.3寸屏/7寸屏/网口/高速AD-DA的时候，建议大家使用外部电源供电，可以提供足够的电流给开发板使用。
30. PL端千兆以太网接口(RJ45)
领航者底板板载1个千兆的RJ45网口（PL_GE），连接到了PL端的IO口上，PHY芯片型号是B50610，支持10Mbps/100Mbps/1000Mbps的通信速率，板载的RJ45插座可以连接网线，实现网络通信功能。
31. PS端千兆以太网接口(RJ45)
领航者底板板载1个千兆的RJ45网口（PS_GE），通过转接板连接到了核心板上的以太网PHY芯片，支持10Mbps/100Mbps/1000Mbps的通信速率，板载的RJ45插座可以连接网线，实现网络通信功能。
32. USB2.0接口
领航者开发板为PS端的USB模块配备了一个USB2.0 PHY芯片，并且根据主从模式的不同，外接了4个HOST模式的接口和一个SLAVE模式的接口。4个HOST模式的接口可分别用来连接不同的USB SLAVE设备，可以用来连接鼠标、键盘等不同的设备，以满足各种不同的需求。一个SLAVE模式的接口可以用来连接HOST设备，以满足特定的应用需求。
33. Micro SD接口
领航者底板板载1个标准Micro SD接口（TF_CARD），该接口位于开发板的背面，采用Micro SD接口，可以使用SPI/SDIO驱动方式。有了这个接口，就可以满足海量数据存储的需求。
34. CAN接口
领航者底板板载一个CAN总线通信接口，CAN接口通过2个端口和外部CAN总线连接，即CANH和CANL。这里提醒大家：两个CAN接口通信的时候，CANH必须接CANH，CANL必须接CANL，否则可能通信不正常！
35. 40PIN扩展口
领航者底板板载一个40PIN的扩展口，位于开发板的左下角，扩展口规格是2*20 Pin，采用标准2.54MM排针间距，其中包括36个IO口，1个+3.3V，1个+5V，2个GND。它可以用来连接不同的功能模块，例如，正点原子开发的高速AD/DA模块和双目摄像头模块等。
核心板外设简介：
1.ZYNQ主控芯片
ZYNQ-7020核心板主控芯片为XC7Z020CLG400-2，85K LC（逻辑单元），4.9Mbit BRAM；
ZYNQ-7010核心板主控芯片为XC7Z010CLG400-1，28K LC（逻辑单元），2.1Mbit BRAM。
Zynq处理器系统里包含两个Cortex-A9处理器，除此之外，还有一组相关的处理资源，形成了一个应用处理器单元（Application Processing Unit，APU）。另外处理器系统里还有扩展外设接口、cache存储器、存储器接口、互联接口和时钟发生电路等。
2.DDR3 SDRAM
ZYNQ-7020核心板板载两片4Gbit DDR3内存，芯片型号为NT5CB256M16EP-DI，总容量为8Gbit（1GB）；
ZYNQ-7010核心板板载两片2Gbit DDR3内存，芯片型号为NT5CB128M16IP-DI，总容量为4Gbit（512MB）；
板载的DDR3芯片可以轻松应对各种大内存、高带宽场景需求，比如摄像头图像数据存储等。此外，DDR3内存也作为PS端处理器的运行内存。
3.1个6-Pin下载接口
核心板的6-PIN下载接口与底板的14-Pin JTAG接口是一体的，可以在单独使用核心板时做调试和下载使用。
4.1个PL LED
它连接到了PL端的用户IO上，可由用户编写Verilog代码来控制其亮灭。
5.1个PS LED
它连接到了PS端的GPIO上，可由用户使用C代码编程来控制其亮灭。
6.PL端50Mhz晶振
这是开发板上用于为ZYNQ PL端提供时钟的晶振（XTAL）。该晶振输出的时钟是PL端最原始的时钟，其它外设需要的各种频率的时钟都在此基础上进行倍频或分频。
7.PS端33.333Mhz晶振
这是开发板上用于为ZYNQ PL端提供时钟的晶振（XTAL）。该晶振输出的时钟是PS端最原始的时钟，PS端外设所需要的各种频率的时钟都在此基础上进行倍频或分频。
8.电源指示灯（PW）
这是核心板板载的一颗蓝色的LED灯（PWR），用于指示电源状态。在电源开启的时候电源指示灯会处于点亮的状态，否则为熄灭的状态。通过这个LED，可以判断开发板的上电情况。需要说明的是，ZYNQ核心板没有独立的供电接口，需要通过BTB转接板连接底板，由底板上的转接板进行供电。
9.PL配置状态指示灯（DONE LED）
这是核心板板载的一颗PL配置状态指示灯，连接到了PL端的配置完成（DONE）信号，在PL端配置（下载程序）完成之后，该LED灯会被点亮。
10. PS千兆以太网PHY芯片
这是核心板板载的一颗PS端千兆以太网PHY（物理）芯片，型号为RTL8211E-VL，实现了10/100/1000M以太网物理层功能。该PHY芯片的引脚连接到了底板上的RJ45接口上，能够满足高带宽通信的需求。
11. PS端复位按键（PS_RST）
ZYNQ PS端的复位按键，它连接到了PS端的复位逻辑，按下后，PS端将重新从上电后的状态开始运行。
12. QSPI Flash(W25Q256FVEI)
这是开发板的Flash芯片，存储容量为256Mbit（32M字节），用于存储ZYNQ芯片的镜像数据，包括PS端的程序数据和PL端的配置镜像。
13. eMMC
eMMC是非易失性NAND存储器，俗称电子硬盘，领航者核心板的eMMC芯片型号为KLM8G1GETF，存储容量为8GB，能够满足PS端的大容量非易失性存储需求。
2.2.2软件资源说明
上面我们简单介绍了领航者ZYNQ开发板的硬件资源。接下来，我们将向大家简要介绍一下领航者ZYNQ开发板的软件资源。
领航者ZYNQ开发板PL端提供的标准例程多达21个，领航者ZYNQ开发板PS端提供的标准例程多达34个。我们提供的这些例程，全部都是原创自主开发，注释非常详细、代码风格统一、难易程度由浅入深，非常适合初学者入门。而其他家开发板的例程，要么注释比较少，要么工程文件管理不统一，对初学者来说可能很难入门。
领航者ZYNQ开发板PL端的例程列表如下表所示：
表 2.2.1 领航者ZYNQ开发板PL端的例程

  

领航者ZYNQ开发板PS端的例程列表如下表所示：
表 2.2.2 领航者ZYNQ开发板PS端的例程

从上表可以看出，领航者ZYNQ开发板的例程是非常丰富的，并且扩展了很多有价值的例程。各个例程的难度是循序渐进的，首先从最基础的LED灯闪烁实验开始，然后一步步深入，从简单到复杂，有利于大家的学习和掌握，所以，领航者ZYNQ开发板是非常适合初学者的。当然，对于想深入学习ZYNQ开发的朋友，领航者ZYNQ开发板也是一个绝佳的选择。