李凡 · 11月30日

ARM on FPGA (一): ARM 核与外设的故事开始了

本文最初由笔者本人以 Zynq SDK 驱动探求(一):ARM 核与外设的故事开始了 为题发布于知乎,署名ljgibbs
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Processor is ready. Configure programable logic.
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在新专栏 Rapid TCP/IP on Zynq 中,将围绕 Xilinx Zynq 系列芯片,从 SDK 驱动,PS-PL 协同加速,嵌入式协议栈 LWIP 分析以及 TCP/IP 硬件加速等方面,一起探求可灵活配置,软件定义,硬件加速的 TCP/IP 协议栈的实现。

在专栏的首篇文章中,我们将从 Processor 处理器核和微处理器的概念辨析切入,为大家介绍 Zynq 外设相关的概念。

Zynq 出身自 FPGA 大厂 Xilinx,是赛灵思的一个产品系列。
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区别于传统的 FPGA 系列产品,Zynq 芯片中除了 FPGA 逻辑资源以外,还包括了两个 ARM A9 硬核。

在嵌入式领域中,往往很容易将处理器核(Processor)和 微处理器 (单片机)搞混。

这里以大家熟悉的 STM32 为例,理清这个概念。
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(STM32 大家应该熟悉的吧)
蝴蝶在线下有很多活动,大家可以关注下

处理器与处理器核

STM32 系列处理器中使用 ARM Cortex M0/3/4/7 核作为处理器核。
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在 ARM 提供的处理器核 IP(Processor IP) 基础上,ST 为其添加了一系列外设,包括串口,定时器,DMA等,以及 SRAM 和片上 FLASH 这样的 Memory ,一起流片做成了一颗 STM32 ,这样一个微处理器,其实也是一个 SoC (System on Chip)片上系统。
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SoC(微处理器)= Processor + 外设 + Memory 注1

那么我们断言:STM32 就是一个 SoC ,而其处理器核为 ARM M 系列。目前主流的单片机实际上都是 SoC,但这些 SoC 的处理器核并不都是由 ARM 设计提供的。

接着断言:Zynq 与其说是 FPGA ,不如说 Zynq 就是 SoC。而其处理器核为 ARM A9。

那么 Zynq 的 FPGA 逻辑部分怎么说,实际上 PL (Programable Logic 指 FPGA 中的可编程逻辑资源)需要听 ARM 核的指挥,某种程度上 PL 是 ARM 核的一项外设,或者说协处理器,在之后我们会详细讨论 PL 的从属地位。

说起来我们的 X86 CPU ,Intel 或者 AMD 其实都不是 SoC,你知道为什么?
处理器外设

接着我们说回外设( peripheral device ),外设在处理器系统中指的是 GPIO,UART,DMA 这些处理器的组件,他们听从处理器核的指挥,干他们自己的活儿,比如打印串口信息。对于 STM32 这样的单片机来说,外设只有一种,那就是固化的硬件电路,这和处理器核是一样的,都是不能修改的 ASIC (专用硬件电路)。

但 Zynq 的情况就有所不同,拥有两类不同的外设。
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一类是和 STM32 单片机相同的硬件电路外设,这部分硬件电路和处理器核一起组成了 Zynq 的处理器系统(Processor System)。这部分和单片机完全相同,所以我们与其说 Zynq 嵌入了双核 A9 硬核,不如说嵌入了一个硬件处理器系统(近似于一个完整的单片机)。

PS = Processor + 片上外设

另一类外设由 FPGA 部分的可编程逻辑(PL)构成,它们最大的特点在于可编程,无论是外设的数量还是类型。某个部分的逻辑资源可以在先前作为串口使用,过会儿就可以作为 SPI 接口,这种变化甚至能够动态进行。另外,我们知道 STM32 的硬件串口在 F103C8T6 上可能就是 3 个,但在 Zynq 上,我们可以使用硬件资源部署 30 个硬件串口,300 个也。。这个或许夸张了。PL 外设相比 PS 外设的缺点在于速度要慢一些,稳定性也可能稍差。

所以,Zynq 拥有两类外设:PS 或者 PL。其中 PL 外设又可以分为两类:标准 IP 和自定义 IP。Xilinx 和其他厂商提供了基础的标准 IP,包括 FIFO,RAM,AXI-Uart,AXI-Jtag 等等,这些电路模块都久经考验,在基础的功能上可以充分地信任他们。

另一类是由用户完全自定义的 IP,用来实现定制化的功能,比如我需要一个加法器,这个加法器不一般,每次进行加法计算时,能模拟一些粗心的一年级小朋友,以小朋友犯错的概率出现一些运算失误。

4 + 7 = 12

这类 IP 可以从心所欲,但没有经过历史的考验,有时侯就会太年轻,出现一些问题。另外标准化的 IP 得到了厂商的很多支持,比如 Xilinx 为一些 IP 提供了 Linux 上的驱动。至于自定义 IP ,那这些支持就完全不存在了。
总线

SoC 还有一个很重要的组成部分是总线,或者片上网络。总线将处理器核和外设连接到一起。处理器核与外设的通信通过总线进行。如果把处理器核比作大秦帝国的都城,要将一条条敕令发往帝国各地,总线就好比是帝国的一条条驰道一样必不可少。处理器核的指令就通过总线传输到各个外设。

Zynq 中主要的总线是 AXI4 总线,这是一种由 ARM 提出的标准化 IP 间总线,你可以从以下系列文章的链接中略微了解 AXI4:
https://zhuanlan.zhihu.com/p/44766356

Zynq 中不只存在 AXI4 系列总线,在 PS 中 ARM 核和片上外设之间的连接通过 APB,AHB 总线进行,和 STM32 使用相同的总线。APB,AHB 总线和 AXI4 类似,实际上他们都属于 ARM AMBA 协议族。

在软件编程的过程中,总线操作由底层 IO 驱动负责,所以并不需要加以关注。但在编写硬件 IP 的过程中,需要对总线的接口加以了解。

注1:Memory 对于 SoC 不是必须的,或者说很多 SoC 的存储器不完全在片上。

结语

本文通过对处理器核与微处理器这对概念进行梳理,大致地介绍了 Zynq 中 ARM 核和外设之间的关系,可以说是故事的开始。

在下一篇的 SDK 驱动探求文章中,我们将以定时器为例,追溯一个外设从初始化到工作的过程,了解外设是如何和处理器一起工作的。

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