嵌入式系统软硬件协同设计实战指南：基于Xilinx ZYNQ（第2版）

　　本书分为基础篇和进阶篇两大部分，基础篇主要介绍ZynqSOC架构，ARMCortex-A9处理器，开发工具链等，器件Boot过程，并配备了大量基础实验，包括板卡的启动，编译嵌入式Linux系统，完成ARM和FPGA的简单片内通讯等；在进阶篇中详解了处理器和FPGA间接口种类和工作方式，分析了如何完成两者间高速的数据交互，通过实例介绍了如何在FPGA中定义用户自己的IP核并完成驱动编写供处理器上运行的Linux使用等，例如如何完成HDMI接口，如何将摄像头数据传递给处理器，并通过运行的OpenCV。本书还将结合Xilinx最新的Vivado和AutoESL开发工具介绍整体软硬件协同设计开发流程并通过案例分析。本书可作为Zynq初学者、软硬件协同设计开发人员的参考用书，亦可作为大专院校嵌入式系统设计、片上系统设计、可编程逻辑器件等相关专业的教师和学生的参考用书。

　　陆佳华，开源硬件社区Operhw.org资深版主，Xilinx高级应用工程师，现任职于Xilinx全球大学计划部，主要负责Xilinx全球大学相关的参考设计开发，技术推广、支持。2006年毕业于西安交通大学并获得硕士学位。同年加入Xilinx公司就任产品应用工程师，主要负责FPGA上的嵌入式系统设计、以太网设计、内存控制器设计等方向技术支持。著有《零存整取NetFPGA开发指南》一书。

目　　录
序言
第2版前言
第一部分　基础篇
第1章　将你的ZED板卡用起来/2
　　1.1　GPIO LED动手玩/2
　　　1.1.1　安装SD卡/2
　　　1.1.2　跳线与外设连接/2
　　　1.1.3　演示操作/2
　　1.2　Linaro Ubuntu动手玩/3
　　　1.2.1　SD卡分区/3
　　　1.2.2　文件复制/6
　　　1.2.3　外设连接/6
　　　1.2.4　可演示的效果/7
第2章　Zynq平台介绍/9
　　2.1　7系列FPGA简介/9
　　2.2　Zynq-7000 AP SoC体系简介/12
第3章　ZedBoard开发环境/15
　　3.1　ZedBoard的板载外设/15
　　　3.1.1　LED/15
　　　3.1.2　按键/16
　　　3.1.3　开关/16
　　　3.1.4　OLED/17
　　　3.1.5　USB接口/18
　　　3.1.6　音频接口/20
　　　3.1.7　VGA接口/21
　　　3.1.8　HDMI接口/22
　　　3.1.9　10/100/1000兆网口/23
　　3.2　ZedBoard的扩展外设/25
　　　3.2.1　PMod/25
　　　3.2.2　外扩FMC插槽/27
　　　3.2.3　外扩AMS插座/28
第4章　Zynq开发工具链/29
　　4.1　Vivado设计套件/29
　　　4.1.1　Vivado IDE/29
　　　4.1.2　Vivado IP Integrator/32
　　　4.1.3　Vivado调试介绍/35
　　4.2　软件开发工具链/37
　　　4.2.1　SDK/37
　　　4.2.2　交叉编译工具链/38
　　　4.2.3　GDB与GDB Server/39
第5章　Zynq体系结构/41
　　5.1　应用处理器单元/41
　　　5.1.1　Cortex-A9处理器/41
　　　5.1.2　侦听控制单元/44
　　　5.1.3　L2高速缓存/45
　　　5.1.4　APU接口/45
　　5.2　通用外设/47
　　　5.2.1　通用I/O/47
　　　5.2.2　SPI接口/50
　　　5.2.3　UART接口/52
　　　5.2.4　计时器/55
　　　5.2.5　USB控制器/57
　　　5.2.6　DDR控制器/58
　　5.3　数字逻辑设计/60
　　　5.3.1　可编程逻辑“外设”/60
　　　5.3.2　XADC/62
　　　5.3.3　PCIe/63
　　5.4　MIO/EMIO/64
第6章　系统级信号/67
　　6.1　电源管理/67
　　　6.1.1　PS运行模式下的动态功耗削减/68
　　　6.1.2　睡眠模式/68
　　6.2　时钟信号/68
　　　6.2.1　CPU时钟域/69
　　　6.2.2　DDR时钟域/70
　　　6.2.3　基本的时钟分支结构/70
　　　6.2.4　I/O外设（IOP）时钟/71
　　　6.2.5　PL时钟/73
　　　6.2.6　其他时钟/73
　　6.3　复位系统/74
　　6.4　JTAG/76
　　6.5　中断处理/77
第7章　Zynq的启动与配置/79
　　7.1　Zynq的启动过程简介/79
　　7.2　外部启动条件/80
　　　7.2.1　电源要求/80
　　　7.2.2　时钟要求/80
　　　7.2.3　复位要求/80
　　　7.2.4　启动引脚设置/81
　　7.3　BootROM/81
　　　7.3.1　BootROM的作用/81
　　　7.3.2　BootROM的特点/82
　　　7.3.3　执行BootROM后的状态/83
　　7.4　FSBL/83
　　7.5　SSBL/86
　　7.6　Linux启动过程/86
　　7.7　Secure Boot/87
第8章　面向软件工程师的逻辑设计/89
　　8.1　FPGA硬件加速原理/89
　　　8.1.1　以空间换时间/89
　　　8.1.2　以存储器换门电路/91
　　　8.1.3　以IP集成换生产力/92
　　8.2　部分动态可重配置于Zynq/95
第9章　ZedBoard入门/97
　　9.1　跑马灯/97
　　　9.1.1　Vivado工程创建/97
　　　9.1.2　在Vivado中创建Zynq嵌入式系统/100
　　　9.1.3　SDK应用程序的编写/109
　　9.2　Zynq嵌入式系统调试方法/114
　　　9.2.1　Vivado硬件调试/114
　　　9.2.2　使用SDK对Zynq进行调试/119
　　9.3　启动Linux/123
　　　9.3.1　创建FSBL.elf/123
　　　9.3.2　从SD卡启动Linux/124
　　　9.3.3　从QSPI启动Linux/126
第二部分　进阶篇
第10章　基于虚拟平台的Zynq开发/130
　　10.1　QEMU介绍/130
　　10.2　编译QEMU源码/130
　　　10.2.1　下载QEMU源码/130
　　　10.2.2　配置QEMU/131
　　　10.2.3　QEMU所依赖的库文件/131
　　　10.2.4　编译QEMU/131
　　10.3　启动QEMU/131
　　10.4　QEMU中的嵌入式Linux/132
　　　10.4.1　QEMU启动简介/132
　　　10.4.2　使用Ubuntu包管理器快速搭建用户定制系统/133
　　　10.4.3　使用SSH服务进行访问/134
　　　10.4.4　使用Telnet服务进行访问/135
　　　10.4.5　使用FTP服务向QEMU传送文件/135
　　　10.4.6　USB设备支持/135
　　　10.4.7　SMP对称多核处理器的支持/135
　　　10.4.8　硬件模块GPIO支持/135
　　10.5　商业版虚拟平台/136
第11章　PL和PS的接口技术详解/137
　　11.1　PL和PS的接口/137
　　　11.1.1　AXI接口简介/138
　　　11.1.2　AXI Interconnect/139
　　11.2　Zynq的内部连接/142
　　　11.2.1　AXI_HP/144
　　　11.2.2　AXI_GP/145
　　　11.2.3　AXI_ACP/145
　　11.3　PL和存储器系统性能概述/147
　　　11.3.1　接口理论带宽/147
　　　11.3.2　DDR控制器的吞吐率及效率/148
　　　11.3.3　内部互连吞吐量瓶颈/148
　　　11.3.4　如何选择PL的接口/149
第12章　基于Zynq的软硬件协同设计/154
　　12.1　多核处理器架构简介/154
　　　12.1.1　什么是多核处理器/154
　　　12.1.2　多核处理器发展的动机和优势/155
　　　12.1.3　同构、异构多核架构的优点和挑战/157
　　12.2　软硬件协同设计方法论/157
　　　12.2.1　什么是软硬件协同设计/157
　　　12.2.2　软硬件协同设计发展的动机和优势/157
　　　12.2.3　软硬件协同设计的基本流程/158
　　　12.2.4　基于Xilinx工具的软硬件协同设计简介/159
　　12.3　高层次综合/159
　　　12.3.1　高层次综合综述/159
　　　12.3.2　高层次综合发展的动机与优势/160
　　　12.3.3　Xilinx Vivado HLS工具简介/161
　　12.4　基于Xilinx Zynq的软硬件协同设计简例/162
　　　12.4.1　功能简介/162
　　　12.4.2　设计流程简介/162
第13章　Zynq高级开发/170
　　13.1　用户IP核设计/170
　　　13.1.1　AXI PWM设计/170
　　　13.1.2　添加用户IP，完成系统设计/180
　　13.2　构建嵌入式Linux系统/185
　　　13.2.1　构建交叉编译环境/185
　　　13.2.2　编译U-Boot/186
　　　13.2.3　编译uImage/186
　　　13.2.4　生成uramdisk.image.gz/187
　　　13.2.5　创建devicetree.dtb/188
　　13.3　嵌入式Linux应用程序与驱动/190
　　　13.3.1　Linux设备驱动与软硬件之间的关系/190
　　　13.3.2　字符型设备驱动/191
　　　13.3.3　PWM模块驱动程序/192
　　　13.3.4　应用程序编写/193
　　13.4　HDMI设计/194
　　　13.4.1　HDMI传输原理/195
　　　13.4.2　ADV7511芯片的相关控制信号/196
　　　13.4.3　HDMI系统Vivado实现/198
　　13.5　OpenCV移植/200
　　　13.5.1　开发环境准备/200
　　　13.5.2　配置cmake/200
　　　13.5.3　OpenCV编译与安装/202
　　　13.5.4　OpenCV移植与ZedBoard测试/203
　　13.6　基于OpenCV的树叶识别系统/204
　　　13.6.1　项目总览/205
　　　13.6.2　图像采集/205
　　　13.6.3　预处理/206
　　　13.6.4　特征提取/208
　　　13.6.5　分类决策/213
　　　13.6.6　过程总述/216
　　13.7　基于OpenCV的人脸检测系统/217
　　　13.7.1　原理简介/218
　　　13.7.2　系统设计与实现/219
　　13.8　嵌入式Web服务器搭建/221
　　　13.8.1　Boa服务器移植与配置/221
　　　13.8.2　Boa服务器的部署与测试/223
　　　13.8.3　CGI程序简介/224
　　13.9　在ZedBoard上搭建网络摄像机/225
　　　13.9.1　嵌入式网络摄像机/225
　　　13.9.2　Mjpeg-Streamer移植/226
　　　13.9.3　部署Mjpeg-Streamer/226
　　13.10　FreeRTOS/228
　　　13.10.1　FreeRTOS介绍/228
　　　13.10.2　FreeRTOS与ucOS-II的比较/229
　　　13.10.3　FreeRTOS在Zynq上的应用实例与分析/229
　　13.11　基于FreeRTOS的Xilmfs/240
　　　13.11.1　嵌入式文件系统概述/241
　　　13.11.2　Xilmfs文件系统介绍/245
　　　13.11.3　Xilmfs文件系统使用实例/248
　　　13.11.4　利用mfsgen工具创建只读型文件系统镜像/250
　　13.12　Lwip/251
　　　13.12.1　基于standalone的Lwip应用/252
　　　13.12.2　基于FreeRTOS的Lwip应用/255
　　13.13　在Zynq上搭建Andriod/257
　　13.14　Zynq双核通信/259
第14章　系统级设计案例/265
　　14.1　多轴运动控制系统/265
　　　14.1.1　整体结构/265
　　　14.1.2　硬件系统设计/266
　　　14.1.3　硬件系统与ZedBoard接口/267
　　　14.1.4　控制系统设计流程/268
　　　14.1.5　多轴控制系统结构设计/270
　　　14.1.6　利用Vivado HLS实现电流环控制硬件/271
　　　14.1.7　算法移植/272
　　　14.1.8　算法综合/273
　　　14.1.9　软件系统设计/274
　　　14.1.10　双核交互实现/274
　　　14.1.11　Android APP监控程序实现/275
　　　14.1.12　系统测试/276
　　14.2　Sobel滤波/278
　　　14.2.1　软件架构设计/278
　　　14.2.2　Linux内核与设备驱动/279
　　14.3　SDN/OpenFlow交换机/287
　　　14.3.1　SDN/OpenFlow简介/287
　　　14.3.2　数据通路设计/288
　　　14.3.3　平台架构搭建/290
　　　14.3.4　系统及驱动/291
　　　14.3.5　OpenFlow交换机移植/292
　　　14.3.6　启动OpenFlow交换机/292
　　　14.3.7　数据通路优化及加速/294
　　14.4　智能小车系统开发/294
　　　14.4.1　智能小车系统结构/295
　　　14.4.2　运动控制设计/298
　　　14.4.3　Linux系统应用程序设计/301
　　　14.4.4　智能小车平台的后续拓展/307
　　　14.4.5　在智能小车平台上移植ROS/308
第15章　如何获取资料和帮助/309
　　15.1　如何获取Xilinx的技术文档/309
　　　15.1.1　DocNav介绍/309
　　　15.1.2　DocNav使用案例/309
　　15.2　如何找到Zynq开发资料/312
　　　15.2.1　如何获取本书的最新例程/312
　　　15.2.2　如何获取Zynq开发资料/312
　　　15.2.3　如何获取ZedBoard文档与例程/313
　　15.3　Xilinx网站资源导读/313
　　　15.3.1　序/313
　　　15.3.2　Xilinx软件介绍/313
　　　15.3.3　软件版本和软件更新/316
　　　15.3.4　软件教程/317
　　　15.3.5　硬件资料/318
　　　15.3.6　参考资源/319
　　　15.3.7　问题解决/320
参考文献/321