嵌入式系統(tǒng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)指南：基于Xilinx ZYNQ（第2版）

目　　錄
序言
第2版前言
第一部分　基礎(chǔ)篇
第1章　將你的ZED板卡用起來(lái)/2
　　1.1　GPIO LED動(dòng)手玩/2
　　　1.1.1　安裝SD卡/2
　　　1.1.2　跳線與外設(shè)連接/2
　　　1.1.3　演示操作/2
　　1.2　Linaro Ubuntu動(dòng)手玩/3
　　　1.2.1　SD卡分區(qū)/3
　　　1.2.2　文件復(fù)制/6
　　　1.2.3　外設(shè)連接/6
　　　1.2.4　可演示的效果/7
第2章　Zynq平臺(tái)介紹/9
　　2.1　7系列FPGA簡(jiǎn)介/9
　　2.2　Zynq-7000 AP SoC體系簡(jiǎn)介/12
第3章　ZedBoard開(kāi)發(fā)環(huán)境/15
　　3.1　ZedBoard的板載外設(shè)/15
　　　3.1.1　LED/15
　　　3.1.2　按鍵/16
　　　3.1.3　開(kāi)關(guān)/16
　　　3.1.4　OLED/17
　　　3.1.5　USB接口/18
　　　3.1.6　音頻接口/20
　　　3.1.7　VGA接口/21
　　　3.1.8　HDMI接口/22
　　　3.1.9　10/100/1000兆網(wǎng)口/23
　　3.2　ZedBoard的擴(kuò)展外設(shè)/25
　　　3.2.1　PMod/25
　　　3.2.2　外擴(kuò)FMC插槽/27
　　　3.2.3　外擴(kuò)AMS插座/28
第4章　Zynq開(kāi)發(fā)工具鏈/29
　　4.1　Vivado設(shè)計(jì)套件/29
　　　4.1.1　Vivado IDE/29
　　　4.1.2　Vivado IP Integrator/32
　　　4.1.3　Vivado調(diào)試介紹/35
　　4.2　軟件開(kāi)發(fā)工具鏈/37
　　　4.2.1　SDK/37
　　　4.2.2　交叉編譯工具鏈/38
　　　4.2.3　GDB與GDB Server/39
第5章　Zynq體系結(jié)構(gòu)/41
　　5.1　應(yīng)用處理器單元/41
　　　5.1.1　Cortex-A9處理器/41
　　　5.1.2　偵聽(tīng)控制單元/44
　　　5.1.3　L2高速緩存/45
　　　5.1.4　APU接口/45
　　5.2　通用外設(shè)/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　計(jì)時(shí)器/55
　　　5.2.5　USB控制器/57
　　　5.2.6　DDR控制器/58
　　5.3　數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)/60
　　　5.3.1　可編程邏輯“外設(shè)”/60
　　　5.3.2　XADC/62
　　　5.3.3　PCIe/63
　　5.4　MIO/EMIO/64
第6章　系統(tǒng)級(jí)信號(hào)/67
　　6.1　電源管理/67
　　　6.1.1　PS運(yùn)行模式下的動(dòng)態(tài)功耗削減/68
　　　6.1.2　睡眠模式/68
　　6.2　時(shí)鐘信號(hào)/68
　　　6.2.1　CPU時(shí)鐘域/69
　　　6.2.2　DDR時(shí)鐘域/70
　　　6.2.3　基本的時(shí)鐘分支結(jié)構(gòu)/70
　　　6.2.4　I/O外設(shè)（IOP）時(shí)鐘/71
　　　6.2.5　PL時(shí)鐘/73
　　　6.2.6　其他時(shí)鐘/73
　　6.3　復(fù)位系統(tǒng)/74
　　6.4　JTAG/76
　　6.5　中斷處理/77
第7章　Zynq的啟動(dòng)與配置/79
　　7.1　Zynq的啟動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)介/79
　　7.2　外部啟動(dòng)條件/80
　　　7.2.1　電源要求/80
　　　7.2.2　時(shí)鐘要求/80
　　　7.2.3　復(fù)位要求/80
　　　7.2.4　啟動(dòng)引腳設(shè)置/81
　　7.3　BootROM/81
　　　7.3.1　BootROM的作用/81
　　　7.3.2　BootROM的特點(diǎn)/82
　　　7.3.3　執(zhí)行BootROM后的狀態(tài)/83
　　7.4　FSBL/83
　　7.5　SSBL/86
　　7.6　Linux啟動(dòng)過(guò)程/86
　　7.7　Secure Boot/87
第8章　面向軟件工程師的邏輯設(shè)計(jì)/89
　　8.1　FPGA硬件加速原理/89
　　　8.1.1　以空間換時(shí)間/89
　　　8.1.2　以存儲(chǔ)器換門(mén)電路/91
　　　8.1.3　以IP集成換生產(chǎn)力/92
　　8.2　部分動(dòng)態(tài)可重配置于Zynq/95
第9章　ZedBoard入門(mén)/97
　　9.1　跑馬燈/97
　　　9.1.1　Vivado工程創(chuàng)建/97
　　　9.1.2　在Vivado中創(chuàng)建Zynq嵌入式系統(tǒng)/100
　　　9.1.3　SDK應(yīng)用程序的編寫(xiě)/109
　　9.2　Zynq嵌入式系統(tǒng)調(diào)試方法/114
　　　9.2.1　Vivado硬件調(diào)試/114
　　　9.2.2　使用SDK對(duì)Zynq進(jìn)行調(diào)試/119
　　9.3　啟動(dòng)Linux/123
　　　9.3.1　創(chuàng)建FSBL.elf/123
　　　9.3.2　從SD卡啟動(dòng)Linux/124
　　　9.3.3　從QSPI啟動(dòng)Linux/126
第二部分　進(jìn)階篇
第10章　基于虛擬平臺(tái)的Zynq開(kāi)發(fā)/130
　　10.1　QEMU介紹/130
　　10.2　編譯QEMU源碼/130
　　　10.2.1　下載QEMU源碼/130
　　　10.2.2　配置QEMU/131
　　　10.2.3　QEMU所依賴(lài)的庫(kù)文件/131
　　　10.2.4　編譯QEMU/131
　　10.3　啟動(dòng)QEMU/131
　　10.4　QEMU中的嵌入式Linux/132
　　　10.4.1　QEMU啟動(dòng)簡(jiǎn)介/132
　　　10.4.2　使用Ubuntu包管理器快速搭建用戶定制系統(tǒng)/133
　　　10.4.3　使用SSH服務(wù)進(jìn)行訪問(wèn)/134
　　　10.4.4　使用Telnet服務(wù)進(jìn)行訪問(wèn)/135
　　　10.4.5　使用FTP服務(wù)向QEMU傳送文件/135
　　　10.4.6　USB設(shè)備支持/135
　　　10.4.7　SMP對(duì)稱(chēng)多核處理器的支持/135
　　　10.4.8　硬件模塊GPIO支持/135
　　10.5　商業(yè)版虛擬平臺(tái)/136
第11章　PL和PS的接口技術(shù)詳解/137
　　11.1　PL和PS的接口/137
　　　11.1.1　AXI接口簡(jiǎn)介/138
　　　11.1.2　AXI Interconnect/139
　　11.2　Zynq的內(nèi)部連接/142
　　　11.2.1　AXI_HP/144
　　　11.2.2　AXI_GP/145
　　　11.2.3　AXI_ACP/145
　　11.3　PL和存儲(chǔ)器系統(tǒng)性能概述/147
　　　11.3.1　接口理論帶寬/147
　　　11.3.2　DDR控制器的吞吐率及效率/148
　　　11.3.3　內(nèi)部互連吞吐量瓶頸/148
　　　11.3.4　如何選擇PL的接口/149
第12章　基于Zynq的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)/154
　　12.1　多核處理器架構(gòu)簡(jiǎn)介/154
　　　12.1.1　什么是多核處理器/154
　　　12.1.2　多核處理器發(fā)展的動(dòng)機(jī)和優(yōu)勢(shì)/155
　　　12.1.3　同構(gòu)、異構(gòu)多核架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)/157
　　12.2　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)方法論/157
　　　12.2.1　什么是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)/157
　　　12.2.2　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)發(fā)展的動(dòng)機(jī)和優(yōu)勢(shì)/157
　　　12.2.3　軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的基本流程/158
　　　12.2.4　基于Xilinx工具的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介/159
　　12.3　高層次綜合/159
　　　12.3.1　高層次綜合綜述/159
　　　12.3.2　高層次綜合發(fā)展的動(dòng)機(jī)與優(yōu)勢(shì)/160
　　　12.3.3　Xilinx Vivado HLS工具簡(jiǎn)介/161
　　12.4　基于Xilinx Zynq的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)簡(jiǎn)例/162
　　　12.4.1　功能簡(jiǎn)介/162
　　　12.4.2　設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)介/162
第13章　Zynq高級(jí)開(kāi)發(fā)/170
　　13.1　用戶IP核設(shè)計(jì)/170
　　　13.1.1　AXI PWM設(shè)計(jì)/170
　　　13.1.2　添加用戶IP，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)/180
　　13.2　構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)/185
　　　13.2.1　構(gòu)建交叉編譯環(huán)境/185
　　　13.2.2　編譯U-Boot/186
　　　13.2.3　編譯uImage/186
　　　13.2.4　生成uramdisk.image.gz/187
　　　13.2.5　創(chuàng)建devicetree.dtb/188
　　13.3　嵌入式Linux應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)/190
　　　13.3.1　Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)與軟硬件之間的關(guān)系/190
　　　13.3.2　字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)/191
　　　13.3.3　PWM模塊驅(qū)動(dòng)程序/192
　　　13.3.4　應(yīng)用程序編寫(xiě)/193
　　13.4　HDMI設(shè)計(jì)/194
　　　13.4.1　HDMI傳輸原理/195
　　　13.4.2　ADV7511芯片的相關(guān)控制信號(hào)/196
　　　13.4.3　HDMI系統(tǒng)Vivado實(shí)現(xiàn)/198
　　13.5　OpenCV移植/200
　　　13.5.1　開(kāi)發(fā)環(huán)境準(zhǔn)備/200
　　　13.5.2　配置cmake/200
　　　13.5.3　OpenCV編譯與安裝/202
　　　13.5.4　OpenCV移植與ZedBoard測(cè)試/203
　　13.6　基于OpenCV的樹(shù)葉識(shí)別系統(tǒng)/204
　　　13.6.1　項(xiàng)目總覽/205
　　　13.6.2　圖像采集/205
　　　13.6.3　預(yù)處理/206
　　　13.6.4　特征提取/208
　　　13.6.5　分類(lèi)決策/213
　　　13.6.6　過(guò)程總述/216
　　13.7　基于OpenCV的人臉檢測(cè)系統(tǒng)/217
　　　13.7.1　原理簡(jiǎn)介/218
　　　13.7.2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)/219
　　13.8　嵌入式Web服務(wù)器搭建/221
　　　13.8.1　Boa服務(wù)器移植與配置/221
　　　13.8.2　Boa服務(wù)器的部署與測(cè)試/223
　　　13.8.3　CGI程序簡(jiǎn)介/224
　　13.9　在ZedBoard上搭建網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)/225
　　　13.9.1　嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)/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介紹/228
　　　13.10.2　FreeRTOS與ucOS-II的比較/229
　　　13.10.3　FreeRTOS在Zynq上的應(yīng)用實(shí)例與分析/229
　　13.11　基于FreeRTOS的Xilmfs/240
　　　13.11.1　嵌入式文件系統(tǒng)概述/241
　　　13.11.2　Xilmfs文件系統(tǒng)介紹/245
　　　13.11.3　Xilmfs文件系統(tǒng)使用實(shí)例/248
　　　13.11.4　利用mfsgen工具創(chuàng)建只讀型文件系統(tǒng)鏡像/250
　　13.12　Lwip/251
　　　13.12.1　基于standalone的Lwip應(yīng)用/252
　　　13.12.2　基于FreeRTOS的Lwip應(yīng)用/255
　　13.13　在Zynq上搭建Andriod/257
　　13.14　Zynq雙核通信/259
第14章　系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)案例/265
　　14.1　多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)/265
　　　14.1.1　整體結(jié)構(gòu)/265
　　　14.1.2　硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)/266
　　　14.1.3　硬件系統(tǒng)與ZedBoard接口/267
　　　14.1.4　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程/268
　　　14.1.5　多軸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)/270
　　　14.1.6　利用Vivado HLS實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制硬件/271
　　　14.1.7　算法移植/272
　　　14.1.8　算法綜合/273
　　　14.1.9　軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)/274
　　　14.1.10　雙核交互實(shí)現(xiàn)/274
　　　14.1.11　Android APP監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)/275
　　　14.1.12　系統(tǒng)測(cè)試/276
　　14.2　Sobel濾波/278
　　　14.2.1　軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)/278
　　　14.2.2　Linux內(nèi)核與設(shè)備驅(qū)動(dòng)/279
　　14.3　SDN/OpenFlow交換機(jī)/287
　　　14.3.1　SDN/OpenFlow簡(jiǎn)介/287
　　　14.3.2　數(shù)據(jù)通路設(shè)計(jì)/288
　　　14.3.3　平臺(tái)架構(gòu)搭建/290
　　　14.3.4　系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)/291
　　　14.3.5　OpenFlow交換機(jī)移植/292
　　　14.3.6　啟動(dòng)OpenFlow交換機(jī)/292
　　　14.3.7　數(shù)據(jù)通路優(yōu)化及加速/294
　　14.4　智能小車(chē)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)/294
　　　14.4.1　智能小車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)/295
　　　14.4.2　運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)/298
　　　14.4.3　Linux系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)/301
　　　14.4.4　智能小車(chē)平臺(tái)的后續(xù)拓展/307
　　　14.4.5　在智能小車(chē)平臺(tái)上移植ROS/308
第15章　如何獲取資料和幫助/309
　　15.1　如何獲取Xilinx的技術(shù)文檔/309
　　　15.1.1　DocNav介紹/309
　　　15.1.2　DocNav使用案例/309
　　15.2　如何找到Zynq開(kāi)發(fā)資料/312
　　　15.2.1　如何獲取本書(shū)的最新例程/312
　　　15.2.2　如何獲取Zynq開(kāi)發(fā)資料/312
　　　15.2.3　如何獲取ZedBoard文檔與例程/313
　　15.3　Xilinx網(wǎng)站資源導(dǎo)讀/313
　　　15.3.1　序/313
　　　15.3.2　Xilinx軟件介紹/313
　　　15.3.3　軟件版本和軟件更新/316
　　　15.3.4　軟件教程/317
　　　15.3.5　硬件資料/318
　　　15.3.6　參考資源/319
　　　15.3.7　問(wèn)題解決/320
參考文獻(xiàn)/321