嵌入式软件设计 - 使用Zynq-7000设计桥臂控制器的分析测试和其结果对比

3 嵌入式软件设计

Zynqxc7z020芯片是以ARM作为核心的，上电后的运行流程如下：

① 进入FSBL（First Stage Boot Loader），对电路板进行配置初始化；

② 将位文件烧入FPGA，FPGA按照位中的方式运行；

③ 进入SSBL（Second Stage Boot Loader），uboot初始化操作系统的运行环境，引导Linux内核，随后将控制权交给双核ARM中的CPU0，CPU0负责启动响应FPGA中断的CPU1。

3.1 FSBL软件设计
FSBL主要完成Zynqxc7z020芯片的启动、内存的初始化、I/O的中断初始化，以及HDMI的配置。其中，HDMI接口芯片Sil9134通过IIC1来配置。
FSBL中I2C的主要C程序如下：
//初始化I2C控制器
XIicPs_LookupConfig(…);
XIicPs_CfgInitialize(…);
//设置I2C时钟频率
XIicPs_SetSClk(…);
//发送数据
iic_writex(… );
通过配置Sil9134的0x72基址和0x7A基址两个寄存器，初始化芯片硬件，进入正常工作模式。

3.2 启动AMP工作模式
Zynqxc7z020芯片的ARM双核共享1G的DDR3内存、512K的L2 Cache和中断控制器，为了避免双核同时访问这些资源导致冲突，系统采用了以下措施：

① 在CPU0上运行的Linux使用DDR3内存的低端768 MB空间，CPU1使用随后的255 MB内存空间，高端的1 MB空间用来存储FPGA读写的数据。

② CPU1禁用L2 Cache，CPU0上的Linux完全占用L2 Cache。

③ FPGA发送给CPU1的中断使用私有中断控制器，发送给CPU0的中断使用共享中断控制器，两者互不干扰[5]。

Linux内核在CPU0启动成功后，此时CPU1处于休眠状态，会一直轮询0xFFFF FFF0地址处的数值，非零就把读取到的数值装载到PC寄存器，跳转到对应的地址执行指令。CPU0通过Linux的devmem命令把CPU1的DDR3内存起始地址0x3000 0000写入0xFFFF FFF0，启动CPU1：devmem 0xFFFF FFF0 0x3000 0000。

CPU1启动后，在主函数注册中断服务函数，当FPGA的数据中断发生时进入中断函数，进行故障判断并生成控制指令。因为CPU1运行的是裸机程序，其中断响应时间要比运行Linux的CPU0响应时间短。

3.3 系统软件升级
桥臂控制器在调试过程中经常需要对代码进行升级，而程序代码和FPGA的配置文件固化在外部QuadSPI Flash中，通过开启CPU0上Linux的SSH和FTP服务，使用网口可以重新烧写Flash中的文件，步骤如下：

① PC电脑通过FileZilla Client（Windows下的ftp工具）登录Linux的ftp服务器，将新的烧写文件上传到Linux的文件系统下；

② PC电脑通过putty（Windows下的ssh工具）登录Linux的root账号；

③ 在putty界面下，使用Linux自带的flashcp命令将上传的文件烧写到外部QuadSPI Flash。

桥臂控制器重启后，系统软件得到更新。

3.4 应用程序流程
系统程序流程如图4所示。

 

图4 系统程序流程图

4 FPGA通信传输率测试

ARM和FPGA通过AXI4数据总线进行通信，数据带宽最高达到1 024位，本文主要测试了64位突发传输率。

对于64位突发传输，分别测试FPGA工作频率为50 MHz、100 MHz和150 MHz时，FPGA发送256个64位数据的用时，如表1所列。
表1 FPGA发送64位数据时间

 

由表1可以计算得出不同FPGA工作频率下，数据位宽为64位时的传输速率，如表2所列。
表2 FPGA数据传输速率

由表2可见，使用Zynqxc7z020芯片能够极大提高FPGA和ARM的数据传输速率。

结语
本文设计的桥臂控制器，采用Xilinx Zynqxc7z020芯片，使用AXI总线取代了以前的DSP+FPGA数据总线方式，实测的最高数据传输率达到8.9 Gb/s，极大地改善了阀控系统数据通信的实时性，同时简化了控制板卡的硬件设计，降低了板卡功耗，提升了系统的运行稳定性[6]。
利用芯片上集成的ARM CortexA9 MPCore双核处理器，搭建了AMP多系统架构,在保证系统实时响应FPGA中断的同时，移植了Linux操作系统，提供了人机交互界面，为桥臂控制器添加了新的控制功能，简化了柔性直流输电阀控系统的整体设计。

参考文献
[1] 周杨. 基于模块化多电平换流技术的柔性直流输电系统研究[D]. 杭州：浙江大学， 2013.
[2] 王莹. Xilinx可扩展处理平台:ZYNQ嵌入式处理器与FPGA集成的独特创举[J]. 电子产品世界,2012(2).
[3] Zynq7000：SOC平台[J].世界电子元器件,2012(12):2424.
[4] 杨定定.基于AXI总线的MicroBlaze双核SoPC系统设计[J].电子产品世界,2012,19(1)：7677.
[5] 王可,黄晓华.基于ARM Cortex的视觉导航AGV双核控制器设计[J].机电工程,2013,30(10)：12841287.
[6] 胥京宇.赛灵思推出可扩展处理平台Zynq7000系列[J].世界电子元器件,2011(4)：5959.
滕林阳（研究生），研究方向为嵌入式系统在电力系统自动化中的应用。