ZYNQ-7000嵌入式开发学习笔记（1）：开发板基础知识

此款开发平台是 XILINX 的 Zynq7000 SOC 芯片的解决方案。它采用 ARM+FPGA SOC 技术将双核 ARM Cortex-A9 和 FPGA 可编程逻辑集成在一颗芯片上。它采用的是 Xilinx 的Zynq7000 系列 XC7Z020-2CLG400I 作为核心处理器，在 ARM 和 FPGA 上分别具有丰富的硬件资源和外围接口。

二、ZYNQ7000-结构示意图

2.1 ZYNQ7020主要结构及功能

在 AX7020 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 Xilinx USB Cable 下载器电路，用户只要用一个 USB 线就可以对开发板进行下载和调试。

下图为整个 AX7020 整个系统的结构示意图：
在这里插入图片描述

平台所含有的接口和功能

电源
ARM芯片：基于精简指令集（RISC）的处理器架构，可以理解为电脑CPU，在ZYNQ7000系列中主要型号为ARM Cortex-A9 MPCore双核处理器
两片DDR3 SRAM：DDR的全称为Double Data Rate SDRAM（双倍速率的SDRAM），就是我们平时说的内存颗粒，也就是内存芯片。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
一片QSPI FLASH：Flash存储器，又叫做闪存，可以用于zynq芯片的系统文件、程序代码、用户数据的存储
一路以太网RJ-45接口
一路HDMI：一路 HDMI 图像视频输入输出接口, 能实现 1080P 的视频图像传输；
一路USB HOST接口：开发板作为主设备，可用于开发板连接鼠标、键盘和优盘等USB外设；AX7020还有一个USB SLAVE接口，这里开发板作为从设备，USB接口用于连接电脑
一路USB OTG接口：OTG（On-The-Go）是一种USB标准，用于和PC或者USB设备的OTG通信（它允许USB设备在主机模式和设备模式之间切换）
一路USB UART接口：UART指的是Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
（通用异步收发器），是一种串口协议，使用TTL电平标准，常用于和PC串口通信
一片实时时钟：用于提供时钟信号，时钟的作用就是充当各种进程的执行节拍
6个LED灯：2个PS LED灯，4个PL LED灯
7个按键：1个CPU复位按键，2个PS控制按键，4个PL控制按键
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
2路40阵的扩展口（2.54mm间距）：用于扩展zynq的PL部分的IO，可以接7寸TFT模块、摄像头模块和AD/DA模块
一个12针的扩展口（2.54mm间距）：用于扩展zynq的PS系统的MIO
一路USB JTAG口：在 AX7020 开发板上，JTAG 接口的形式是 USB 接口方式的，通过JTAG口对zynq系统进行调试以及程序烧写（支持PS部分+PL部分的程序烧写）
一路MICRO SD卡座：用于插卡——存储操作系统镜像和文件系统

需要注意UART一般用于和PC端通信，主要用于输出开发板的启动日志、调试信息的打印，或在PC端通过串口终端向开发板发送shell指令（如控制 uboot 执行烧写命令）；如果想要烧写程序或者进行开发板调试请使用JTAG接口，并将开发板跳帽调整为JTAG输入模式。

需要注意的是AX7020 开发板的 JTAG 调试接口, 在电路板上已经集成了 JTAG 的下载调试电路，所以我们无需购买额外的 Xilinx 下载器。只要一根 USB 线就能进行 ZYNQ 的开发和调试了。以下是JTAG实物图。

2.2 ZYNQ 7020启动配置

之前提到我们实际需要通过JTAG接口去对开发版进行调试，同时需要将开发板的调帽调整到JTAG模式用以锁定开发板的启动模式，那么开发板有几种启动模式呢？

AX7020 开发平台支持三种启动模式。这三种启动模式分别是 JTAG 调试模式,QSPI FLASH 和 SD 卡启动模式。ZYNQ702 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 J13 的跳线来选择不同的启动模式。J13 启动模式配置如下表所示。

J13	跳帽位置	启动模式
	连接左边两个引脚	SD Card
	连接中间两个引脚	QSPI FLASH
	连接右边边两个引脚	JTAG

三、ZYNQ7000-组成框架图

已知ZYNQ70007000芯片的主要包含PL以及PS部分，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。这些外设主要包括USB总线接口，以太网接口，SD/SDIO接口与，I2C总线接口，CAN总线接口，UART接口，GPIO等。PS可以独立运行并在上电或复位下启动。

zynq7000芯片的总体框架如下图所示

3.1 PS系统的主要参数

ARM 双核 CortexA9 的应用处理器
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

PS系统中涉及许多模块，但是最容易让人混淆还是其复杂多样的接口，因此在该部分我决定拓展一下关于PS各种接口的知识点。接口这一部分我主要总结了四种：CAN、SPI、UART、I2C，主要围绕它们各自的特点以及各自应用场景去进行介绍（原帖更为详细，对这一块感兴趣的可以跳转至：https://blog.csdn.net/dsafefvf/article/details/155751347?spm=1001.2014.3001.5506）。

首先我们提到的CAN、SPI、UART、I2C其实都是通信中的“语法”，即串口总线通信协议。那么也许有人疑问在串口通信中我们还总接触到TTL、RS232、RS422、RS485这些名词，那这些又是什么？其实TTL、RS232、RS422、RS485是串口通信中的电平标准，通信协议和电平标准不是一个层级的概念。

以UART与TTL为例：

UART 是一种 通信规则（协议），规定数据怎么打包、怎么发送。
TTL 是一种 物理电平标准，规定用多少电压、几根线来传输信号。

我们通常可以这样描述他们：开发板片内的UART接口使用的是TTL电平标准。

3.1.1 UART接口

a.UART 核心特点

特点	解释
异步	没有时钟线！靠双方提前约定“语速”（波特率）
串行	数据一位一位地传（像排队过独木桥）
全双工	有两条线：一条发（TX），一条收（RX），能同时说话和听

b.UART 一帧数据结构

UART 把每个字节（8 位）包装成一个“数据帧”：

[起始位] [数据位] [校验位] [停止位]
   0     D0~D7     (可选)     1

举个例子：发送字母 'A'（ASCII = 65 = 01000001）

起始位：0（表示“我要开始说话了！”）
数据位：从最低位开始发 → 1 0 0 0 0 0 1 0
停止位：1（表示“我说完了！”）

那么如果没有校验位就是我们常说的“8位数据位+NONE校验+1位停止位”=8N1（这个相信大家用过串口调试助手的都配置过）

c.UART 应用场景

UART接口不同的应用场景往往会搭配不同的电平标准

名称	类型	作用	电平	距离	速度	线数
UART	通信协议	规定数据帧格式、波特率等	不定义（依赖物理层）	-	-	2（TX/RX）
TTL	电平标准	芯片间短距离通信	0V / 3.3V 或 5V	< 0.5m	高（>1Mbps）	2
RS232	电平标准	老式电脑串口	±3V~±15V（负逻辑）	≤15m	≤115kbps	3（TX/RX/GND）
RS422	电平标准	工业长距离通信	差分 ±2V~±6V	≤1200m	≤10Mbps	4（TX±, RX±）+GND

3.1.2 SPI接口

SPI全称是Serial Peripheral Interface(串行外设接口），主要用于连接外设

a.SPI 核心特点

特性	说明
同步	由主设备提供时钟（SCLK），收发双方严格同步
全双工	能同时发送和接收数据（像对讲机）
主从架构	1 个主设备（Master），可带多个从设备（Slave）
无地址	靠“片选线”（CS）直接选中某个从设备

b.SPI 需要几根线？

最少 4 根（标准 SPI）：

信号线	全称	方向（从主设备看）	作用
SCLK	Serial Clock	输出	时钟信号，由主设备产生
MOSI	Master Out Slave In	输出	主设备 → 从设备的数据线
MISO	Master In Slave Out	输入	从设备 → 主设备的数据线
CS/SS	Chip Select / Slave Select	输出	片选信号，低电平有效

c.SPI 应用场景

SD 卡、Flash 存储器（高速读写）
TFT/OLED 显示屏（快速刷屏）
高速 ADC/DAC（模数转换器）

3.1.3 I2C 接口

I2C全称Inter-Integrated Circuit（集成电路间总线）,主要用于片间通信

a.I2C 核心特点

特性	说明
同步	由主设备提供时钟（SCL）
半双工	同一时间只能单向传输（像对讲机按住说话）
多主多从	支持多个主设备（但通常只用一个）
地址寻址	每个从设备有唯一地址（7 位或 10 位）

b.I2C 需要几根线？

只需要 2 根！

信号线	全称	作用
SDA	Serial Data	双向数据线（所有设备共享）
SCL	Serial Clock	时钟线（由主设备控制）

c.I2C 应用场景

温湿度传感器（DHT20, SHT30）
实时时钟（DS1307）
小容量 EEPROM（AT24C02）
IO 扩展芯片（PCF8574）

3.1.4 CAN 接口

a.CAN 核心特点

特性	UART	SPI	I²C	CAN
拓扑	点对点	星型（主从）	总线（多从）	总线（多主）
地址	无	CS 片选	7/10 位地址	ID = 优先级（非地址）
同步	异步	同步	同步	异步（但有位同步）
错误处理	无	无	ACK/NACK	CRC + 自动重传 + 故障隔离
物理层	TTL/RS232	单端	开漏+上拉	差分（CAN_H/CAN_L）
典型速率	≤115kbps	≤100Mbps	≤3.4Mbps	≤1Mbps（经典 CAN）

b.CAN 帧结构（以标准帧为例）

一帧 CAN 数据包含：

[SOF] [ID(11bit)] [RTR] [IDE] [DLC] [Data(0~8字节)] [CRC] [ACK] [EOF]

字段	说明
SOF	帧起始（1 位显性）
ID	11 位标识符（决定优先级，数值越小优先级越高）
RTR	远程请求位（0=数据帧，1=请求数据）
DLC	数据长度（0~8 字节）
Data	实际数据（最多 8 字节）
CRC	15 位校验码（硬件自动生成/校验）
ACK	接收方应答（正确接收则拉低）

c.CAN 的独特机制

1. 非破坏性仲裁

多个节点同时发？ID 小的胜出
仲裁过程中，输的一方自动停止发送，转为接收
无数据冲突，且高优先级消息零延迟

2. 错误检测与恢复

每个节点监控总线发现错误（位错误、CRC 错误等）
发送错误帧
发送方自动重发，直到成功

3. 故障封闭

如果某个节点持续出错会被自动离线（Bus Off）不影响其他节点通信

d.CAN 的应用场景

场景	推荐协议
调试打印、连电脑	UART
高速读写 Flash/SD卡	SPI
连多个传感器（温湿度、RTC）	I²C
汽车电子、工业控制、多节点实时通信	✅ CAN

3.1.5 UART、SPI、I2C、CAN 终极对比表

类型	名称	本质	典型用途	线数	距离	速度	特点
串行协议	UART	异步串行协议	调试打印、连蓝牙/WiFi	2~3	<15m (TTL)≤1200m (RS485)	≤115kbps	点对点，简单
串行协议	SPI	同步全双工协议	Flash、SD卡、显示屏	≥4	<0.5m	≤100Mbps	高速，引脚多
串行协议	I2C	同步半双工总线	传感器、RTC、EEPROM	2	<0.5m	≤3.4Mbps	引脚少，地址寻址
串行协议	CAN	多主广播总线	汽车、工业控制	2（差分）	≤1km	≤1Mbps	高可靠，自动仲裁