為了學習 RISC-V 以及體驗看看 Xilinx 的開發平臺，最近我入手了 Zybo Board ，這是一塊具有 FPGA 同時又包含了 ARM Cortex-A9 雙核心的開發板。

在我們開始這一切之前，我們需要稍微了解一下這片開發板以及他的外圍等信息。

要了解 Zybo Board 的外圍，首先要看的就是開發商 DIGILENT 所提供的 ZYBO FPGA Board Reference Manual。讓我們來看看一些比較重要的地方吧!

基本硬件認識

拿到手的 Zybo Board 會像下面這個樣子，我們有這些基本的輸入/輸出模塊，以及未標示的部份(Pmod)，可以做延伸的功能

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讓我們來看看這些外圍模塊吧

電源輸入(5V)
Zybo Board 允許三種不同類型的電源輸入模式，分別是 USB、外接電源(J15)、外接電池。我們可以從Reference Manual 得到電源模塊的大致信息。

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控制電源輸入的位置在 JP7 的排針座上，我們可以透過切換跳線(Jumper)來選擇我們需要的電源輸入，在外圍使用不多的情況下，我會直接使用 USB (5V) 來作為電流的輸入。

要注意到的是，Zybo Board 僅吃 5V 電源，因此不論你是用外接電源(J15)或是外接電池，你最好都先確認你的電壓是否為 5V (或是低于) ，否則你的開發板可能因此燒壞。

插上電源后，透過電源開關 (Power Switch, SW4) 的切換即可完成給電/斷電的動作。

Zynq SOC
Zybo Board 核心是 Xilinx Zynq-7000 系列的 Z-7010 ARM/FPGA SoC 處理器，這是一種混和了 FPGA 以及 ARM Cortex-A9 處理器的 FPGA 核心。以往的 FPGA 開發板需要用到 CPU 的時候只能夠刻錄用 HDL 語言撰寫的軟核心到開發板上，這種混搭 FPGA/ARM 的開發板則是讓你可以針對通用需求使用 ARM CPU 進行程序的開發，特殊需求則透過 FPGA 進行處理/加速來運作，是一種蠻有趣的架構。

我們可以把 Zynq SoC 分為兩個區塊, 處理系統 (Processing System, PS) 以及 可程序邏輯區塊(Programmable Logic, PL)，像這樣處理系統(Processing Syste, PS) 也就是有 ARM Cortex-A9 處理器的部份，可程序邏輯區塊(Programmable Logic, PL) 則是 FPGA 所包含的部份。

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在上面的區塊圖中，我們要另外注意到 MIO (Multiplexed I/O) 以及 EMIO (Extended multiplexed I/O)，在 Zynq 7000 系列 SoC 中，我們共有 54 個 MIO 可用，而這些 MIO 所連接的地址是無法在 可程序邏輯區塊 (Programmable Logic, PL) 中看到。

在 Zybo Board 我們有這幾個地方是連接到 MIO (Multiplexed I/O) 上的

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系統啟動流程
由于 Zynq 7000 系列內建了 ARM CPU，也因此和傳統的 FPGA 開發板相比，系統啟動流程也會不同，整體開機流程可以分為三個階段:

o 階段 0
當 Zybo board 電源啟動后，CPU0 會執行內部已經預刻錄的程序 BootROM，這個程序會根據 JP5 所設定的信息來更新狀態緩存器(mode register)，接著 BootROM 會透過狀態贊存器(mode register)的信息從 MicroSD、NOR Flash、JTAG 等位置抓取 Zynq Boot Image，并將包在 Zynq Boot Image 里面的 第一級啟動開機程序 (First Stage Bootloader, FSBL) 復制到內部 256KB 的內存 (On-Chip Memory, OCM) 去，最后執行 FSBL，進入下一個階段。

如果 BootROM 是因為按下了 RESET 按鈕等狀況而被執行，Zybo board 會選用之前已經存放在狀態緩存器(mode register)的開機狀態，而不是當下的 JP5 狀態。

o 階段 1
在這階段中, 第一級啟動開機程序 (First Stage Bootloader, FSBL) 初始化了 DDR 內存、GPIO 等外圍設定，接下來會加載存放在 Boot Image 內的比特流 (bitstream)，用他來對可程序邏輯區塊 (Programmable Logic, PL) 進行設定。

當可程序邏輯區塊(Programmable Logic, PL)設定完成后，FSBL 會去加載程序(ex: u-boot)并執行它。

o 階段 2
最后的接段即是執行 FSBL 所加載的程序，這些程序可以從簡單的 "Hello World"，到像 u-boot 這樣的第二階段開機程序，用來加載 Linux 或是其他的操作系統。

更改開機模式
我們可以透過切換 JP5 的跳線(Jumper)來決定我們要透過哪種方式去加載第一級啟動開機程序 (First Stage Bootloader, FSBL)

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MicroSD 啟動
當使用者將 MicroSD 插入到 J4 的 SD 卡槽，并設定好 JP5 的跳線的話，我們可以透過 MicroSD 來進行開機的動作。
若你希望透過 MicroSD 進行開機，你需要先設定好你的 SD 卡:
1. 透過計算機格式化 MicroSD 卡成 FAT32 文件格式
2. 復制從 Xilinx SDK 制作出來的 Zynq Boot Image 到 MicroSD 卡上
3. 將 Zynq Boot Image 命名為 BOOT.bin
4. 將 MicroSD 卡從計算機移除，并插入到 Zybo Board 的 J4 SD 卡槽上
5. 接上電源，并設定好 JP7 (Power Source Select)
6. 將 JP5 的跳線 (Jumper) 調整到 MicroSD 模式 (板上標示為 SD 的那個)
7. 啟動電源。接下來 Zybo Board 就會從 MicroSD 卡啟動。

QSPI 啟動
在 Zybo board 上有一顆 128-Mbit Quad-SPI (QSPI) 的 NOR Flash，我們可以透過 Xilinx ISE 和 Vivado 等工具去將 Zynq Boot Image 下載到 QSPI Flash 上。

當下載完成后，照這樣的步驟即可透過 QSPI 啟動:
1. 接上電源，并設定好 JP7 (Power Source Select)
2. 將 JP5 的跳線 (Jumper) 調整到 QSPI 模式 (板上標示為 QSPI 的那個)
3. 啟動電源。接下來 Zybo Board 就會從 QSPI 卡啟動。

JTAG 啟動
當你將 JP5 設定為 JTAG 啟動模式，Zynq 內的 Cortex-A9 處理器會等到計算機端的 Xilinx 工具加載了要執行的程序之后，再執行預執行的程序，或是啟用一步一步(step-by-step)的執行模式來方便我們除錯。

除此之外，我們也可以透過 iMPACT 或是 Vivado Hardware Server 透過 JTAG 來設定可程序邏輯區塊 (Programmable Logic, PL)。
Zybo Board 默認是開機啟動 Cascaded JTAG 模式，在這種模式下 處理器系統 (Processing System, PS) 和 可程序邏輯區塊 (Programmable Logic, PL) 可以透過同一個 JTAG 去進行控制。如果你將 JP6 短路，則可以讓 JTAG 僅看得到 可程序邏輯區塊 (Programmable Logic, PL)，在這種狀況下，使用者可以透過 EMIO (Extended multiplexed I/O) 將 PJTAG 拉出，讓外部的設備可以和 處理器系統 (Processing System, PS) 進行溝通。

SPI Flash
Zybo Board 內建了 4-bit SPI (QSPI) NOR Flash，硬件型號為 Spansion S25FL128S。
假設 JP5 設定為 NOR Flash 開機，則我們可以透過這顆 NOR Flash 來初始化處理器系統(Processing System, PS)以及可程序邏輯區塊(Programmable Logic, PL)。除此之外，當開機完成后，我們可以使用 Spansion 文件系統(Spansion Flash File System, FFS) 來對檔案進行讀寫的處理。

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從電路圖我們可以看到 SPI Flash 是直接連到 Zynq 處理器上的 Quad-I/O SPI interface。

DDR 內存
Zybo Board 使用的是 Micron MT41J128M16JT-125 或是 MT41K128M16JT-125 這兩種 DDR3 內存組件，在 Zybo Board 上我們共有 512MB 的內存空間可以使用。

根據 Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual，DDR3 內存是直接連接到處理器系統 (Processing System, PS)。

USB UART 接口
Zybo Board 并未將 UART 串行端口拉出，取而代之的它采用了 FTDI FT2232HQ 這款 USB 轉 UART 的 IC 讓你的計算機可以和 Zybo Board 進行溝通。

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如果你是 Linux 使用者，在安裝完 Vivado 后，你會需要手動安裝 udev 設定好讓 Linux 可以偵測到這個 USB 轉 UART 設備(共兩組，/dev/ttyUSB0, /dev/ttyUSB1)，假設你的 vivado 安裝在 /opt/Xilinx/Vivado/2016.1的話，我們可以透過以下程序來安裝 udev 設定。

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MicroSD 插槽
在 Zybo Board 的背面，我們可以看到 Micro SD 插槽(J4)，根據 Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual ，Zynq 的 SDIO 控制器僅支持 1-bit 或是 4-bit 傳輸模式 (Host Modes)，不支持 SPI 模式。

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而 Micro SD 使用到的 MIO (Multiplexed I/O) 信息如下:

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USB OTG
Zybo Board 提供了一組 USB OTG 支持，在這個界面中使用了 Microchip 的 USB3320 這顆 IC 來作為端口物理層 (Port Physical Layer, PHY)，要注意到的是，你不可以 同時 將 USB 主機 (HOST) 以及 USB 設備 (Device) 接到 USB OTG 端口上。

(也就是不要同時接上設備到 J9 以及 J10)

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而在 USB OTG 的功能上，我們則是用掉了 MIO 28 ~ 39 的位置。

另外，由于 USB 2.0 的規格是 USB 主機最多可以提供 500mA 的電流，當你設定為 USB 主機的模式時，在 J11的電源端 必須 改用外接電源或是電池輸入，避免電流不夠的情況發生。

Ethernet PHY
Zybo Board 使用 Realtek RTL8211E-VL PHY 來實現 10/100/1000 網絡傳輸的功能。具體使用到的 MIO 以及 EMIO 接腳信息如下:

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我們可以透過在 RJ45 附近的 LED 來觀察流量 (LD7) 以及聯機狀態 (LD6) 的信息

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網卡的 MAC 地址則是存放在 Micrichip 24AA02E48 這顆 EEPROM 上面，Zynq 處理器透過 EMIO 上的 I?C 接口來和 EEPROM 進行溝通。

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HDMI Source/Sink
Zybo Board 的 HDMI 接口并未透過外部 IC 去驅動，因此我們必須透過可程序邏輯(Programmable Logic, PL) 去實現影片編碼 (Encoding)與譯碼(Decoding)的功能。

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由于 Zybo Board 的 HDMI 接口支持 HDMI 來源裝置(HDMI Source) 以及 HDMI 目標裝置 (HDMI Sink) 的功能，我們也須注意訊號的方向變化。

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根據 ZYBO FPGA Board Reference Manual 可知 Zyboard Board 的 HDMI 至少支持到 720p (1280x720) 的分辨率。

VGA
Zybo Board 的 VGA 輸出也是沒有透過外部 IC 將數字訊號轉換為模擬訊號，取而代之的，它采用了 R–2R resistor ladder 這種分壓的方式將數字訊號變成了 VGA 用的模擬訊號。

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頻率源 (Clock Sources)
ZYBO board 提供了 50MHZ 的頻率到 Zynq 處理器的 PS_CLK 接腳，基本連接信息如下:

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要注意到的一點是，由于 Ethernet PHY 會接收 50HMZ 頻率輸入，并輸出 125HMZ 到 Zyna 處理器上，當 Ethernet PHY 重置(reset)的時候，CLK125 的輸出會被取消。

基本輸入/輸出 (I/O)
Zybo board 板上有一些預先定義好的 IO, 比如指撥開關 (Switch)、LED 燈、無段按鈕等。

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聲音 (Audio)
Zybo Board 上有三組聲音相關的 IO，分別是耳機孔輸出(Headphone Out)、麥克風輸入(Microphone In)、音源轉錄功能(Line In)，這些 IO 會連接到 Ananlog Device 的 SSM2603 音頻譯碼器上。

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SSM2603 則是透過 I?C 接口來將數據傳送給 Zynq 處理器去。

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Pmod 接腳
在 Zybo Board 的周遭，共有 6 個 2x6 母排座，用來將多余的 GPIO 拉出。每個 Pmod 提供了兩個 3.3 VCC 電源、兩個 GND 訊號以及 8 個 IO 可以用。在 Pmod 上的 VCC 以及 GND 最多可以提供到 1A 的電流(但要記得外接電源)。

不同的 Pmod 用途則可能不同，詳情請參見下表:

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延伸閱讀

[1]?ZYBO FPGA Board Reference Manual
[2]?The Principles of FPGAs | FPGAs content from Electronic Design
[3]?Zynq-7000 All Programmable SoC Technical Reference Manual
[4]?Xilinx - Zynq Architecture