Xilinx Zynq SoC与嵌入式Linux设计实战指南 - 书签目录.pdf

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☆:该pdf文档包含书签目录,高清扫描版本。书名《Xilinx Zynq SoC与嵌入式Linux设计实战指南-兼容ARM Cortex-A9的设计方法》,陆启帅、陆彦婷、王地著,清华大学出版社出版。 ☆:该文档为方便大家在电脑端阅读开发,还请大家支持原创作者。 ☆:本书介绍Xilinx Zynq-7000 Soc ARM Cortex-A9常用外设接口原理以及嵌入式Linux原理。全书以Zynq PS(ARM Cortex-A9)为核心,以Zynq PL(FPGA)部分为可编程外设,详细讲解了从底层硬件系统到上层操作系统及GUI原理,设计实现了底层外设接口控制程序、嵌入式Linux操作系统移植以及应用程序。全书共分14章,内容包括Zynq初体验、Zynq集成开发环境、Zynq启动流程及镜像制作、GPIO原理及实现、中断原理及实现、定时器原理及实现、通用异步收发器原理及实现、OLED原理及实现、Zynq双核运行原理及实现、嵌入式Linux系统构建、嵌入式Linu x系统实现、uboot原理及移植、Linux内核原理及移植和嵌入式网络视频设计及实现。
序 我们生活在一个快速连接的世界中——全球有超过60亿台移动计算设备相互连 接,并且每天都持续增加约100万台移动计算设备。预计到2020年,全球移动计算设备 总数将达到300亿台。随着物联网(loT)以及万联网(loE)的发展,海量大数据的存储 传输、处理、挖掘技术出现了极大的挑战。从处理响应速度来看,计算的处理响应速度从 文字时代的秒级,到多媒体时代的百毫秒级、视频时代的十毫秒级,会讯谆推进到5G时 代的Ⅰ毫秒级。对海量数据在Ⅰ毫秒内完成处理,将是未米数十年摆在电子信息系统设 计工程师面前的巨大难题。 随着摩尔定律走向深纳米时代.在2nm以下的工艺节点,每个节点的性价比提高幅 度会比卜一代逐渐减少,而前期的一次性工程费用(NRE)投人巨大,服务客户数量稀少, 使得专用集成电路(ASIC及专用标准集成电路(ASSP)在商业模式上步人绝境,贏利的 公司数量锐减直至最后消亡,尚能存活的将是可编程器件 面对海量的计算任务,多核并行曾是解决方案之一,但受制于算法可并行部分的局 限,更多的核并不能带来更髙的效率,加速敚能也逐渐走到了尽头。此外,受单颗芯片发 热量密度限制,即使芯片上集成的晶体管越来越多,但可同时运行的晶体管数目却趋于 恒定,多余的晶体管将沦为暗硅( Dark silicon)。因此,设计者不得不将目光转向冯·诺 依曼架构之外的计算构架,例如领域定制化计算( Domain Specific Computing),它可在保 持灵活性的同时,发挥每一个晶体管的计算能力,当然这也离不开可编程器件技术的长 足发展。 在系统级别,大数据与软件定义一切,虛拟化一切的趋势,使得系统构架工程师不得 不寻求更灵活、史智慧、史快速、更绿色的解决方案。而这些解决方案的核心往往与软 件、硬件及O均可编程的芯片—赛灵思公司的 All Programmable芯片相关。 在教育领域,除了需要培养能够应对未来数十年技术挑战的电子信息系统工程师之 外,教学本身也充满了变革和机遇。随着大型开放式网络课程(MOOC)的兴起,在统 平台下通过互联网,以翻转课堂的方式,打破业界与教育界的壁垒,完成软件与硬件、理 论与实验、年级与院系的仝面贯通,将是很多屯了信息类学科教育工作者的更高追求 赛灵思大学计划将不遗余力地帮助教育工作者应对这些变革,与清华出版社合作将 All Programmable全而可编程技术系统地引入到新型知识传播体系中去,培养能够应对 下一代电子系统设计挑战的卓越工程帅,为实现将“中国制造”变成“中国智造”的梦想, 提供充足的智力和人才保障 谢凯年 Xilinx大学计划大中华区经理 前言 2012年7月,作者有幸和北京化工大学何宾老帅进行项日合作,在相关项日的应用 屮,了解到赛灵思公司( Xilinx)的Zynq芯片,被其全新设计理念所吸引。zynq是赛灵思 公司推出的行业第一个可扩展处理平台旨在为视频监视、汽车驾驶辅助以及工厂自动 化等高端嵌入式应用提供所需的处理。 作者从事天文望远镜控制研究相关工作,在部分天文仪器终端设备中,需要使用 ARM处理器运行Iinuκ操作系统,以方便网络通信和图行界而设计。市场上的ARM 处理器外设比较固定,而天文仪器设备上的某些外设市场上比较少见,通常需要外设 计扩展电路来实现,这就给硏发周期、难度和稳定性带来一定的麻烦。Zyn将双核 ARM嵌入IPGA内,可以利用其双核ARM运行操作系统,进行界面和通信设计,利用 zwnq的IPGA部分进行并行运算和接口扩展设计,从而简化了设计难度和复杂度。从 作者应用Zynq设计经验来看,综合考虑设计难度、稳定性和价格等因素。Zyη非常适 合高端仪器仪表等嵌人式应用场合,也适合高等学校作为ARM和FPGA的教学平台。 本书介绍ⅹ linx Zong-7000 Soc ARM Cortex-A9常用外设接口原理以及嵌人式 Linux原理。全书以 Zynq ps( ARM Cortex-A9)为核心,以 Zong P(FPGA)部分为可编 程外设,详细讲解了从底层硬件系统到上层操作系统及GUⅠ原理,设计实现」底层外设 接口控制程序、嵌人式 Linux操作系统移植以及应用程序。全书共分14章,内容包括 Zynq初体验、Zynq集成开发环境、zvnq启动流程及镜像制作、 GPIO原理及实现、中断原 理及实现、定时器原理及箕现、通用异步收发器原理及实现、OIED原理及实现、ynq双 核运行原理及实现、嵌人式 Linux系统构建、嵌入式 Linux系统实现、 u-boot原理及移 植、 Linux内核原理及移植和嵚人式网络视频设计及实现。每章内容要点如下。 第1章主要介绍Zynq的两个主要组成部分PL和PS的实例 第2章主要介绍Zynq的硬件平台和软件集成开发环境。 第3章主要介绍zynq的启动流程和启动镜像文件制作方法。 第4章主要介绍ynq的(iPO设计,包括 GPIO原理、 yng giRI(的相关寄存器配 置和GPIO编程实例。 第5章主要介绍ARM中断原理,包括Zynq屮断体系架、屮断类型和屮断寄存器, 最后设计实现一个屮断实例 第6章主要介绍Zyn定时器原理,包括私有定时器、私有看门狗定时器和全局定时 器,并设计实现3个定时器实例 第7章主要介绍通用异步收发器原理,包括寄存器配置和设计实现方法。 第8章主要介绍OLED的硬件IP核设计和OED的软件驱动设计。 第9章主婁介绍zynq双核运行原理及实现方法 第10章主要介绍嵌入式 Linux环境搭建,包括环境设计、交叉编译器安装和嵌入式 QT移植 第11章主要介绍在Zynq运行 Linux系统,主要包括硬件平台设计启动文件设计 内核编译和添加自定义设备等。 第12章主要介绍 u-boot原理及移植方法。 第13章主要介绍 Linux内核的原理及移植方法。 第14章主要介绍基于Zynq、嵌入式 Linux和Qt的网络视频设计及实现方法。 掌握Ⅻ Xilinx zong嵌人式系统设计技术,重要的是在学习本书基本设计方法的基础 上,多在硬件平台上进行实际练习和操作,并在作者提供的实例基础上进行修改验证。 这样读者就能够独立地从事 Xilinx Tyne嵌入式系统的设计和开发工作。 感谢作者的同事陆彦婷博土、王地博土、郑兆瑛博士和王佑高级工程师,他们参与了 本书部分章节的编写或者对相关的设计案例进行了测试,此外还帮助完成了书中一部分 表格和插图的绘制工作,乜要感谢北京化工大学何宾老师,他为作者提供了一套硬件平 台,并且对全书的组织设计提出了建议 同时,还要感谢中国科学院南京天文光学技术研究所自适应光学课题组在软件和硬 件平台方面给予的大力支持和帮助。特别感谢课题组负责人张思炯研究员,正因为有他 的大力支持,才能使作者将 Xilinx Zong嵌入式系统最新的技术及时地介绍给广大读者 最后,对清华大学出版社的编辑和领导的辛勤工作表示感谢。正是由于他们的支持和帮 助,使得怍者能在短时间內完成该书的编写和定稿工作 虽然作者花费了大量的精力和吋间用于该书的编写,但是由于作者的能力有限,书 中一定会存在不足之处。在此,也恳请广大读者、同仁对本书提出宝贵的修改意见。 陆启帅 2014年10月 日录 第·篇Zynq开发基础 第1章zynq初体验…… 1.1PL部分设计实现…… 1.1.1创建工程…… 1.1.2设计输入 6 1.1.3设计综合… 1.1.4设计实现……12 1.1.5下载执行…… ………12 1.2Ps部分设计实现 aB-BI.BB.B.B …13 1.2.1建立zynq硬件系统…………………………………13 12.2在Ps中设计 Hello world程序…………………………………16 1.2.3下载执行程序 18 第2章zyn集成开发环境 2.1zyn硬件平台 11D曹1面111曹1曹1重1国11由1重目自1首1D11 20 2.1.1 Zyng Xc7z020芯片硬件资源… 20 2.1.2 Seaboard硬件资源…… 21 22zyng软件平台… 2.2.1嵌入式硬件开发工具XPS ……………23 2.2.2嵌入式软件开发工具SDK… 27 第3章zynq启动流程及镜像制作 :.:aat::a.::: 3.1 BiotRON……… 32 3.2zym器件的启动配置……37 3.3使用 BostEn……………………………………………………41 3.3.1 Bootgen介绍… ……41 3.3.2B|F文件语法……………………………………………………41 3.3.3 BootGen实例 ■量1量日重1曹量,1■重1 …………43 第二篇zymq底层硬件设计 第4章GPO原理及设计实现 m日重1曹首自意重自1 4.1GP|O原理 日录 4.2 Zong X7z020GP|o寄存器… 50 4.2.1 DATA RO寄存器………… 51 1.2.2DATA寄存器……………………………………………………………52 4.2.3 MASK DATA LSW!MSW寄存器 翻看重 52 4.2.4DRM寄存器 53 4.2.5CEN寄存器…………………………………………………………………54 1.2.6GP|oscr寄存器 55 4.3GP|O设计实现… 4.3.1汇编语言实现……………………………………………………………58 4.3.2C语言实现 61 第5章中断原理及实现……64 5.1中断原理………………………………………………………………………………64 5.1.1中断类型………… 5.1.2中断向量表… 65 5.1.3中断处理过程………………………………………………………………66 5.2zymq中断体系结构 ■■1 ……………………………………67 5.2,1私有中断 中断………………………………… 5.2.2软件中断…………………………………………………………6 52.3共享外设中断 52.4中断寄存器… 5.3中断程序设计实现………………………………………………………………71 53.1中断向量表和解析程序… ………72 5.3.2中断源配置 ……74 5.3.3CD寄存器初始化………………………………………………………78 5.3,4cc寄存器组初始化…… 82 5.3.5ID寄存器组配置 536ARM程序状态寄存器(cPsR)配置……………………………………84 5.3.7中断服务程序设计 5.4设计验证 …86 第6章定时器原理及实现 6.1zynq定时器概述 ………88 6.2私有定时器…… 88 6.2.1私有定时器寄存器……… Ⅵ 日录 6.2.2私有定时器设计实现 11自1重 ……91 6.3私有看门狗定时器 93 6.3.1私有看门狗定时器寄存器………………………………………………93 6.3.2私有看门狗定时器设计实现 :.:日.,:aa 6.4全局定时器 ……97 6.4.1全局定时器寄存器 ………………97 64.2全局定时器设计实现……… 自_1 98 第7章通用异步收发器原理及实现 7.1UART概述…102 7.2UART寄存器… ………………………………………………105 7.3UART设计实现 111 7.3.1UART引脚设置…………………………………………………111 7.3.2UART初始化……………………………………………………………114 7.3.3UART字符接收和发送函数实现 115 7.3.4UART主函数实现…………………… 116 7.3.5UART具体实现步骤 …………………………………117 第8章OLED原理及实现 “““·“…“““““:·=·“·“““““““…“…·““““““““+““ 119 8.1OLED概述…………………119 8.2建立OLED硬件系统 ……………………………………120 8.3生成自定义 OLED IF模板 122 8.4修改 MY OLED|P设计模板…∷…………124 8.5oLED驱动程序设计实现… ……2130 8.5.1CLED初始化………………………………………………………132 8.52写数据相关函数…………………………………………………………133 8.5.3写显存相关函数实现…………136 8.6设计验证………………………………………………………………………136 第9章zymq双核运行原理及实现… 9.1双核运行原理 138 9.2硬件系统设计…… 140 9.3软件设计 …………………………………………………141 9.3.1FSEL…………………………………………………………………141 9.3.2CPU0应用程序设计……145 Ⅶ 日录 9.33cPU1应用程序设计………………………………………………………148 9.4设计验证………………… 152 第三篇嵌人式 Linux设计 第10章嵌入式Lnux系统构建 55 10.1 Ubuntu13.10设置… …………………………155 10.1.1root登录…… 155 10.1.2安装FTP服务器和SSH服务器………………………………156 10.2 PUTTY和 Filezilla工具使用 ..“aa“““““““+=+a“a“““出““.““a“:“ …-158 10.2.1 PUTTY工具使用… 158 10.2.2 Filezilla工具使用………………………………………………………161 10.3交叉编译器安装… 16 2 10.3.1 Xilinx ARM交叉编译器下载 162 10.3.2Ⅺ Xilinx arm交叉编译器安装… 1162 10.4嵌入式α环境构建………………………………………………………………165 10.4.1主机环境Qt构建………………………………………………165 10.4.2目标机Qt环境构建… ………………………………169 第11章嵌入式Linx系统实现 |178 11.1硬件平台构建………………………………………………………178 11.1.1自定义GPO|P核设计 18 11.1.2添加 my led IP核端口 182 11.2 my_ led IP核逻辑设计 ……186 11.2.1设置引脚方向信息 187 11.2.2 my_ led IF核端口和连接设计 188 11.2.3 my led IP核用户逻辑设计……………………………………190 11.2.4 my_led IP核引脚约束设计 191 11.2.5my_edP核硬件比特流生成…………………………………195 11.3启动文件BOQT.BN设计 ………………………………………………196 11.3.1第一阶段启动代码设计…………………………………………196 1.3.2u-boot编译………… …201 11.3.3生成BOOT.BN文件… ………202 11.4 Linux内核编译 “ ““a “““a“a;““““““+a+;““;;a …204 11.4.1内核简介 ……204 11.4.2Ⅺ ilir LinUx内核的获取…………………………………205

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