摘 要

在全球信息产业快速发展的背景下，MPSoC作为一种新型高性能架构，受到了开发者的广泛关注。MPSoC结合了ARM、FPGA、高速接口等技术于一体，可以兼顾通用计算和专用计算的设计要求，同时具有嵌入式系统的许多优点。

本文首先对ZCU102评估板的基础知识进行了讨论，分析了MPSoC相关硬件资源的功能；然后叙述了开发环境的搭建步骤，并对其中出现的问题给出了解决方案；其次叙述了基于ZCU102的嵌入式系统的设计流程，其中包括：硬件系统的设计、测试软件的编译、系统固件的制作、启动文件的合成以及Ubuntu文件系统和GNU软件的移植；最后对系统进行功能验证和性能测试，分析实验结果，评估MPSoC平台未来的发展前景。

本文的特点是简单易懂、平铺直叙，本文的成果可以给他人学习MPSoC提供参考。

关键词：MPSoC；嵌入式系统；Linux；ARM开发

Abstract

The world’s information industry has witnessed unprecedented boom in recent years. The MPSoC, as a kind of new high performance architectures, was brought before developers’ eye. With many merits of embedded system, the MPSoC that combines ARM, FPGA and high speed interface, can meet design requirements of general-purpose computing and special-purpose computing.

I discuss the basic knowledge of ZCU102 evaluation board and analyze the function of hardware resources related to MPSoC in this article. In addition, I describe the steps of building development environment and the solutions of some problems that user will have were given in this article. My paper interprets the design process basing on ZCU102 embedded system witch including the design flow of hardware system, compiling of testing software, production of System firmware, composition of BOOT files and migration of Ubuntu file systems and GNU software. At the end of the article, you will read verification and performance test of System function，analysis of experimental results，and evaluation of the future development prospect of MPSoC.

The characteristics of this article are easy-to-understand and straightforward. The efforts of this article can provide a reference for others to learn MPSoC.

Key Words：MPSoC；embedded system；Linux；ARM development

目录

第1章 绪论 1

1.1 目的和意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.3 本文的组织结构 3

第2章 ZCU102评估板的相关基础分析 4

2.1 ZCU102开发平台 4

2.2 ZCU102开发平台的启动流程 5

2.3 ZCU102的基本组件 6

2.3.1 MPSoC 6

2.3.2 内存 6

2.3.3 调试接口 6

2.3.4 ZCU102的复位电路 7

2.3.5 ZCU102评估板的电源系统 7

2.4 MPSoC的基本组件 8

2.4.1 MPSoC的结构 8

2.4.2 MPSoC的片上处理器系统 9

2.4.3 PMU和CSU 10

2.4.4 系统地址映射图 11

2.4.5 低速外设模块和MIO 11

2.4.6 高速外设模块和GTx 12

2.5 本章小结 12

第3章 ZCU102评估板的开发环境的搭建 13

3.1 Linux开发环境 13

3.1.1 Linux发行版的选择 13

3.1.2 Ubuntu环境的安装和配置 14

3.2 Vivado开发平台 15

3.2.1 安装Vivado 15

3.2.2 Ubuntu注册Vivado软件 16

3.2.3 激活ZCU102 ES1评估板和相应的芯片族 16

3.2.4 Ubuntu安装ZCU102的JTAG驱动 17

3.3 Xilinx SDK的安装和配置 17

3.4 Petalinux的安装和配置 17

3.5 本章小结 18

第4章 基于ZCU102的嵌入式系统的搭建 19

4.1 系统总架构图 19

4.2 硬件平台的搭建 20

4.2.1 Vivado中硬件工程的创建 20

4.2.2 添加硬件模块 22

4.2.3 加载自编写的DisplayPort配置脚本 23

4.2.4 编译硬件工程并导出文件 25

4.3 SDK平台软件设计 25

4.3.1 PMU固件和FSBL固件的制作 26

4.3.2 RPU程序的制作 26

4.3.3 APU层Linux软件的制作 26

4.4 Petalinux的配置和编译 26

4.4.1 加载hdf文件和连接库 26

4.4.2 Linux内核的剪裁和配置 27

4.4.3 Petalinux工程综合设置 28

4.4.4 添加设备树信息 28

4.4.5 编译Petalinux 28

4.5 合成启动文件 30

4.6 Ubuntu文件系统的移植 30

4.7 Busybox的移植 31

4.8 本章小结 31

第5章 基于ZCU102开发的嵌入式系统的验证和测试 32

5.1 底层硬件测试 32

5.2 Linux网络与硬盘读写案例测试 36

5.3 本章小结 38

第6章 总结与展望 39

参考文献 40

致谢 41

第1章 绪论

1.1 目的和意义

随着信息社会的不断发展，越来越多的IT公司开始意识到，高速可靠的硬件成为了他们进一步发展的需求。现代的产品开发对硬件提出了更严格的要求：更高的集成度、更低的功耗、更复杂的功能、更快的运行速度和更高的吞吐量等。

MPSoC (MultiProcessor System on Chip)是一个近年来集成电路的发展方向，这种架构用片上布线代替了以往的板上布线方案，相比传统分立架构，将带来更加强劲的性能。对于迫切需要提升硬件性能的IT公司来说，MPSoC将会进入他们的下一代硬件解决方案。作为一个信息工程专业的学生，研究此系统对于今后的学习和研究将具有重要的意义。

本文所研究的对象是Xilinx公司设计的ZCU102评估板，这是一款搭载了Xilinx公司最新产品Zynq UltraScale MPSoC的评估板。本设计将从底层定制一个硬件平台，把剪裁后的Linux移植到该平台上，在Linux系统上进行进一步的开发，并测试MPSoC架构的潜能。研究过程中将要涉及到的知识包括：Zynq UltraScale MPSoC的构架、软件编程、Linux操作系统和FPGA逻辑设计等。

本文的目标有三个：一、分析ZCU102评估板和MPSoC的硬件结构，学习配置与编程方法；二、学习Linux的知识，包括底层的内核和上层的应用层，熟知Linux的基本结构和工作原理，学会Linux内核剪裁定制和移植的方法；三、让Linux操作系统和片上硬件结构协调工作，利用框架固件将操作系统和片内模块组合起来，实现“一加一大于二”的效果。

1.2 国内外的研究现状

世界上的可编程逻辑器件巨头基本扎堆在美国，公认最强的两家公司是Xilinx和Altera（现已经被Intel收购），这两家公司占有了全世界可编程逻辑市场90%以上的份额，除此之外，还有Lattice、Actel、Atmel、Avago、Cypress等公司，每家都有各自的秘密武器。比如Actel是反熔丝的先驱，宇航级FPGA的开拓者。其他任何一家的产品都是工业级、军工级、宇航级产品不可缺少的核心芯片，也是世界上很多国家尖端科技的短板和咽喉^[1]。

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