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| 編輯推薦： |
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随着集成ARM MCU的FPGA成为开发利器，业界却一直缺乏系统的实战指南。本书精准填补了这一空白，不仅全面解析高速SoC与FPGA设计基础，更以Xilinx Zynq平台为例，手把手带领读者完成从硬件架构、软件设计到软硬件集成的完整流程。书中涵盖安全、DSP、视觉处理等高级主题，并配有实战视频与代码，是工程师迈向高水平SoC开发的必备参考。
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| 內容簡介： |
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本书从介绍FPGA SoC技术基础及其相关开发设计工具开始，讲解如何构建SoC硬件和软件——从架构定义到在演示板或虚拟平台上进行测试。全书分为三部分，共14章。第一部分（第1~5章）介绍了高速SoC和FPGA设计的主要特点、设计工具、互连与接口，便于读者总体了解高速Soc和FPGA平台；第二部分（第6~9章）对高速SoC设计的主要内容、硬件设计流程、软件设计流程以及软硬件集成方法进行了详细介绍，便于读者掌握高速SoC和FPGA软硬件设计的相关方法；第三部分（第10~14章）详细说明了使用FPGA构建复杂SoC硬件、使用嵌入式操作系统流程构建复杂软件的主要方法，对安全性问题、视频图像和DSP处理原理以及通信和控制系统实现等高级主题进行阐述。
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| 關於作者： |
穆尼尔·马雷夫（Mounir Maaref）
微电子领域资深SoC架构师，拥有超过20年的深厚经验，在业内备受认可。他涉足的专业领域广泛，涵盖FPGA、ASIC、嵌入式处理、网络、数据存储、卫星通信、蓝牙和WiFi连接，热衷于钻研软件和硬件相关的尖端技术，主要关注系统架构设计、硬件和软件交互、性能分析和建模，发表了多份应用笔记和白皮书，还常在全球知名科技会议上发表演讲。
杨鹏，工学博士。长期从事水声信号处理、嵌入式系统开发工作，精通C/C++、QT、C#等编程技术，承担国家、省部级科研项目20余项，获得省部级科技进步奖8项，发表学术论文30余篇。
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| 目錄：
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目 录
译者序
前 言
本书贡献者
第一部分 高速SoC和FPGA设计基础及主要特点
第1章 FPGA器件和SoC介绍 2
1.1 Xilinx FPGA器件概述 2
1.1.1 历史概述 3
1.1.2 FPGA器件及其对垂直市场的
渗透 4
1.1.3 Xilinx FPGA器件系列概述 4
1.1.4 Xilinx FPGA器件特性概述 5
1.2 Xilinx SoC概述及其历史 7
1.3 Xilinx Zynq-7000 SoC系列硬件
特性 10
1.3.1 Zynq-7000 SoC APU 10
1.3.2 Zynq-7000 SoC存储控制器 12
1.3.3 Zynq-7000 I/O外设块 14
1.3.4 Zynq-7000 SoC互连 14
1.4 Xilinx Zynq UltraScale + MPSoC系列概述 15
1.4.1 Zynq UltraScale + MPSoC
APU 15
1.4.2 Zynq UltraScale + MPSoC
RPU 17
1.4.3 Zynq UltraScale + MPSoC
GPU 17
1.4.4 Zynq UltraScale + MPSoC
VCU 17
1.4.5 Zynq UltraScale + MPSoC
PMU 17
1.4.6 Zynq UltraScale + MPSoC DMA通道 17
1.4.7 Zynq UltraScale + MPSoC存储器接口 18
1.4.8 Zynq-UltraScale + MPSoC
I/O 18
1.4.9 Zynq UltraScale + MPSoC
IOP块 19
1.4.10 Zynq-UltraScale + MPSoC
互连 19
1.5 ASIC技术中的SoC 19
1.6 本章小结 22
1.7 问题 22
第2章 FPGA器件和SoC设计
工具 23
2.1 技术要求 23
2.2 FPGA硬件设计流程和工具概述 23
2.2.1 FPGA硬件设计流程 23
2.2.2 FPGA硬件设计工具 27
2.3 FPGA SoC硬件设计工具 28
2.4 FPGA和SoC硬件验证流程及相关工具 32
2.5 FPGA SoC软件设计流程及相关
工具 34
2.5.1 Vitis IDE嵌入式软件设计流程概述 35
2.5.2 Vitis IDE嵌入式软件设计
术语 36
2.5.3 Vitis IDE嵌入式软件设计
步骤 36
2.6 本章小结 37
2.7 问题 37
第3章 基本和高级片上总线和
互连 38
3.1 片上总线和互连概述 38
3.1.1 片上总线概述 39
3.1.2 片上互连 39
3.2 ARM AMBA互连协议套件 40
3.2.1 ARM AMBA标准历史概述 41
3.2.2 APB总线协议概述 42
3.2.3 AXI总线协议概述 46
3.2.4 AXI流总线协议概述 51
3.2.5 ACE总线协议概述 55
3.3 OCP互连协议 60
3.3.1 OCP协议概述 61
3.3.2 OCP总线特性 61
3.3.3 OCP总线接口信号 61
3.3.4 OCP总线支持的事务 62
3.4 DMA引擎和数据移动 63
3.4.1 IP集成DMA引擎概述 63
3.4.2 IP集成DMA引擎的拓扑结构和操作 64
3.4.3 中央DMA引擎概述 65
3.4.4 中央DMA引擎的拓扑结构和操作 66
3.5 数据共享和一致性方面的挑战 66
3.5.1 数据访问原子性 67
3.5.2 高速缓存一致性概述 67
3.6 本章小结 70
3.7 问题 71
第4章 使用总线和互连器连接高速器件 72
4.1 传统片外互连概述 72
4.1.1 SPI概述 73
4.1.2 Zynq-7000 SoC SPI控制器
概述 73
4.1.3 I2C概述 74
4.1.4 Zynq-7000 SoC I2C控制器
概述 75
4.2 PCIe互连简介 76
4.2.1 PCIe互连的历史回顾 76
4.2.2 PCIe互连系统拓扑 77
4.2.3 PCIe协议层 80
4.2.4 PCIe控制器示例 85
4.2.5 使用DMA的PCIe子系统数据交换协议示例 86
4.2.6 PCIe系统性能注意事项 88
4.3 以太网互连 89
4.3.1 以太网速度的历史发展 89
4.3.2 以太网协议概述 90
4.3.3 Zynq-7000 SoC的以太网接口
概述 91
4.4 Gen-Z协议简介 92
4.4.1 Gen-Z协议架构特征 92
4.4.2 SoC设计与Gen-Z结构 93
4.5 CCIX协议与片外数据一致性 94
4.6 本章小结 96
4.7 问题 97
第5章 基本和高级SoC接口 98
5.1 按功能定义接口 98
5.1.1 SoC接口特性 100
5.1.2 SoC接口量化考虑 101
5.2 处理器缓存基础知识 102
5.3 处理器MMU基础 106
5.4 存储器和存储接口拓扑 108
5.4.1 DDR存储器控制器 108
5.4.2 静态存储器控制器 113
5.4.3 片上存储器控制器 113
5.5 本章小结 115
5.6 问题 115
第二部分
FPGA中的高速SoC设计与实现
第6章 高速SoC设计的主要
内容 118
6.1 SoC架构探索阶段 118
6.1.1 SoC PS处理器块特性 120
6.1.2 存储器和存储接口 120
6.1.3 通信接口 121
6.1.4 PS块专用硬件功能 121
6.1.5 FPGA SoC器件通用特性 122
6.2 SoC软硬件划分 123
6.3 软硬件接口和通信 129
6.4 半软算法简介 133
6.4.1 半软算法在基于Zynq的SoC中的应用 133
6.4.2 使用系统级替代解决方案 133
6.4.3 OpenCL简介 134
6.4.4 探索FPGA部分重新配置作为替代方法 134
6.5 早期SoC架构建模与黄金模型 134
6.5.1 基于Accellera SystemC和TLM2.0的系统建模 135
6.5.2 基于Synopsys Platform
Architect的系统建模 135
6.5.3 基于gem5框架的系统建模 136
6.5.4 基于QEMU框架和SystemC/TLM2.0的系统建模 136
6.6 本章小结 137
6.7 问题 138
第7章 FPGA SoC硬件设计与验证流程 139
7.1 技术要求 139
7.2 在Linux VM上安装Vivado
工具 139
7.2.1 安装Oracle VirtualBox和Ubuntu Linux VM 140
7.2.2 在Ubuntu Linux VM上安装Vivado 144
7.3 开发SoC硬件微架构 145
7.4 FPGA SoC硬件子系统的设计
捕获 149
7.4.1 为ETS SoC创建Vivado
项目 150
7.4.2 为ETS SoC配置PS块 153
7.4.3 在ETS SoC的PL块中添加和配置所需的IP 157
7.5 了解设计约束和PPA 165
7.5.1 什么是PPA 165
7.5.2 综合工具参数对PPA的
影响 166
7.5.3 设定ETS SoC设计的综合
选项 167
7.5.4 实现工具参数对PPA的
影响 168
7.5.5 设定ETS SoC设计的实现
选项 169
7.5.6 设定ETS SoC设计的实现
约束 169
7.5.7 在FPGA顶层设计中集成SoC硬件子系统 170
7.6 用RTL仿真验证FPGA SoC
设计 171
7.6.1 自定义ETS SoC设计验证测试平台 171
7.6.2 基于测试平台的ETS SoC设计的硬件验证 173
7.7 实现FPGA SoC设计及生成FPGA硬件映像 174
7.7.1 ETS SoC设计与实现 174
7.7.2 ETS SoC设计FPGA比特流
生成 174
7.8 本章小结 175
7.9 问题 175
第8章 FPGA SoC软件设计
流程 177
8.1 技术要求 177
8.2 SoC软件设计流程的主要步骤 177
8.2.1 在Vivado IDE中生成ETS SoC XSA存档文件 178
8.2.2 在Vitis IDE中设置ETS SoC
软件项目 180
8.2.3 在Vitis IDE中设置ETS SoC MicroBlaze软件项目 183
8.2.4 在Vitis IDE中设置ETS SoC PS Cortex-A9软件项目 185
8.3 设置软件项目的BSP、引导软件、驱动程序和库 189
8.3.1 设置ETS SoC MicroBlaze PP
应用程序项目的BSP 189
8.3.2 设置ETS SoC Cortex-A9 core0应用程序项目的BSP 191
8.3.3 设置ETS SoC引导应用程序
项目的BSP 195
8.4 定义ETS SoC处理器的分布式软件微架构 196
8.4.1 ETS SoC硬件微架构简析 197
8.4.2 ETS SoC Cortex-A9和MicroBlaze IPC数据交换机制综述 198
8.4.3 ETMP概述 200
8.4.4 ETS SoC系统地址映射 201
8.4.5 以太网MAC及其DMA引擎
软件控制机制 203
8.4.6 AXI INTC软件控制机制 205
8.4.7 定量分析与系统性能评估 205
8.4.8 ETS SoC Cortex-A9软件微
架构 206
8.4.9 ETS SoC MicroBlaze PP软件微架构 207
8.5 构建用户软件应用程序以初始化和测试SoC硬件 208
8.5.1 为ETS SoC项目指定链接器
脚本 209
8.5.2 为Cortex-A9设置编译器选项
并构建可执行文件 210
8.6 本章小结 212
8.7 问题 213
第9章 SoC设计的软硬件集成 214
9.1 技术要求 214
9.2 连接到FPGA SoC板并配置
FPGA 215
9.3 嵌入式软件运行仿真平台 218
9.4 在ETS SoC项目的Vitis IDE中使用QEMU 218
9.5 利用仿真平台调试SoC测试
软件 221
9.6 使用Vitis IDE进行嵌入式软件
分析 225
9.7 本章小结 225
9.8 问题 226
第三部分 先进高速FPGA SoC的实现与集成
第10章 用FPGA构建复杂SoC硬件 228
10.1 技术要求 228
10.2 利用Vivado IDE构建复杂的SoC子系统 228
10.3 系统性能分析与系统定量研究 232
10.4 解决系统一致性问题并使用Cortex-A9 ACP端口 235
10.4.1 Zynq-7000 SoC FPGA中Cortex-A9 CPU的ACP
概述 236
10.4.2 在ETS SoC设计中使用ACP接口的意义 236
10.5 本章小结 239
10.6 问题 239
第11章 基于FPGA的SoC安全性问题的解决之道 240
11.1 FPGA SoC硬件安全特性 240
11.2 ARM CPU及其硬件安全范式 244
11.3 软件安全性及其集成硬件可用特性的方式 247
11.4 构建基于FPGA的安全SoC 248
11.5 本章小结 249
11.6 问题 250
第12章 用嵌入式操作系统流程构建复杂软件 251
12.1 技术要求 251
12.2 基于Xilinx FPGA的SoC嵌入式
操作系统软件设计流程 251
12.3 为FreeRTOS自定义和生成BSP
与bootloader 257
12.4 构建用户应用程序并在目标操作
系统上运行 259
12.5 本章小结 262
12.6 问题 262
第13章 FPGA和SoC中的视频、图像和DSP处理原理 263
13.1 基于FPGA的DSP技术 263
13.1.1 Zynq-7000 SoC FPGA Cortex-A9处理器集群的DSP功能 264
13.1.2 Zynq-7000 SoC FPGA的逻辑资源及DSP改进 265
13.1.3 Zynq-7000 SoC FPGA的DSP切片 266
13.2 SoC中的DSP与硬件加速机制 267
13.3 FPGA器件和SoC中视频与图像
处理的实现 268
13.3.1 Xilinx AXI视频DMA引擎 268
13.3.2 视频处理系统通用架构 269
13.3.3 基于SoC的FPGA在视频边缘检测中的应用 270
13.3.4 基于SoC的FPGA在机器视觉中的应用 270
13.4 本章小结 271
13.5 问题 272
第14章 FPGA和SoC中通信与
控制系统的实现 273
14.1 通信协议层 273
14.1.1 OSI模型分层概述 273
14.1.2 通信协议拓扑 275
14.1.3 通信协议示例及OSI模型
映射 276
14.2 基于FPGA的SoC的通信协议层
的映射 277
14.3 控制系统概述 278
14.4 基于FPGA的SoC的控制系统
硬件和软件映射 280
14.5 本章小结 281
14.6 问题 281
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| 內容試閱：
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前 言
通过结合ARM处理器的处理能力和功能丰富的Xilinx FPGA，现代复杂的SoC可以适应许多苛刻的系统要求。你需要了解许多协议，使用各种内部和外部接口，找出瓶颈，并定义FPGA中SoC的架构，以便在最佳时间内以最佳成本提供卓越的解决方案。本书采用实用的方法，帮助你掌握硬件和软件设计流程，了解关键互连和接口，分析系统性能并使用加速技术增强系统性能，最后，为高级SoC设计构建基于实时操作系统（RTOS）的软件应用程序。
本书从介绍FPGA SoC技术基础及其相关开发设计工具开始，指导你构建SoC硬件和软件，从架构定义到在演示板或虚拟平台上进行测试，复杂程度随着本书的进展而发展，涵盖了高级应用，如通信、安全和具有一致性的硬件加速。
读完本书时，你将了解FPGA SoC高级特性的基本概念，并从头开始构建一个针对高端FPGA的高速SoC。
本书为谁而写
本书面向FPGA和专用集成电路（ASIC）硬件和固件开发人员、物联网工程师、SoC架构师以及任何有兴趣了解复杂SoC开发流程的读者，包括硬件设计和相关固件设计的所有方面。使用这本书需要有数字电子技术的基础知识和一些使用VHDL、Verilog、C语言或适用于嵌入式系统的类似语言编程的经验。对FPGA和CPU架构的一般理解将对你使用本书有所帮助，但这种一般理解不是强制性的。
本书主要内容
第1章首先描述FPGA技术及其自20世纪80年代由Xilinx发明以来的发展，介绍了FPGA器件所填补的电子行业空白、运用情况以及实现定制数字硬件功能和系统的易用性。然后，描述了自21世纪初被主要FPGA供应商作为解决方案引入而推出的高速SoC的发展情况，本书还着眼于面向应用的SoC分类，特别是针对FPGA的实现。
第2章首先概述了Xilinx FPGA硬件设计流程及其相关工具，然后重点介绍了为FPGA设计SoC时使用的具体工具，还介绍了使用现有仿真工具进行SoC设计硬件验证过程。本章阐述了软件设计流程及其各个步骤，并介绍了基于FPGA的SoC软件设计步骤中所涉及的工具。
第3章概述SoC中使用的总线和互连，介绍了数据共享和一致性的概念，以及如何应对相关挑战，详细介绍了AMBA和OCP，还涵盖了SoC内的数据传输机制和DMA引擎的使用。
第4章首先概述了用于将SoC或FPGA连接到电子板上的其他高速器件的片外总线和互连，介绍了PCIe互连、以太网互连和新兴的Gen-Z协议。此外，本章还介绍了新兴的CCIX互连协议，以及通过添加协议层来管理数据一致性并将其扩展到芯片外的概念。
第5章首先为特定功能定义了SoC接口。接着，对SoC接口进行了分类，并列出了相关的控制器服务。然后，本章重点介绍了ARMv7架构下的处理器缓存及其组织。此外，本章还介绍了处理器内存管理单元在虚拟到物理地址转换和实现地址空间管理与保护中的作用。本章深入研究了片内和片外存储器的不同接口、拓扑和架构特性，以及选择给定接口（或多种接口的组合）的标准。
第6章介绍设计和实施阶段之前的SoC架构定义阶段。这个阶段对系统架构师非常有用，因为它将一组特定的产品需求转化为SoC设计的高级描述。本章详细说明了在功能分解阶段使用的标准，在这个阶段，需要在“更适合硬件实现”和“更适合软件实现”的目标之间进行权衡。此外，本章还概述了如何使用众多可用工具和环境进行SoC系统建模。
第7章深入研究使用前几章介绍的所有工具构建SoC硬件。本章注重实践，你将为Xilinx FPGA构建一个简单而完整的SoC。从概念到FPGA映像生成，你将了解SoC硬件设计阶段的每一步。本章还涵盖硬件验证方面，例如使用寄存器传输级（Register Transfer Level，RTL）仿真工具来仿真部分设计，并检查潜在的硬件问题。
第8章重点介绍了构建在SoC处理器上运行的软件的步骤。你将首先配置设计流程这一阶段所需的软件组件，例如自定义板级支持包（Board Support Package，BSP）、配置库以及为简单应用自定义驱动程序。你将重新访问在上一章中构建的SoC项目，学习如何定义分布式软件微架构，并通过使用适用于SoC硬件的裸机软件应用程序构建所有项目软件组件的步骤。
第9章帮助你将FPGA二进制配置文件下载到器件上，并在无可用的演示板的情况下启动SoC CPU阶段，或者使用仿真平台。你将调试在目标平台上运行的软件（真实硬件或虚拟模型），并熟悉软件调试工具。此外，你还将学习如何使用软件性能分析工具评估软件性能并理解其相关指标，以便突出设计系统的关注点。
第10章介绍了部分SoC设计高级主题，鉴于其多维特性，这些主题给设计工程师带来了许多挑战。本章继续采用与前几章相同的实用方法，为硬件设计添加更复杂的元件。被构建的硬件也将能配置嵌入式操作系统。本章介绍了硬件加速技术，以帮助增强系统性能，并使读者具备轻松实现这一步骤的基础知识。你将研究其不同的应用方式，以及在共享数据范例的架构级别上需要考虑哪些系统方面。
第11章介绍SoC的安全性问题，以及FPGA SoC硬件如何解决这些问题。然后，你将了解SoC硬件中基于ARM的处理器的安全范例。本章还从软件角度介绍了安全问题，并介绍了如何利用前面提到的硬件安全特性在FPGA中构建安全的SoC。
第12章介绍流程，并帮助你发现用于构建在复杂FPGA SoC上运行的复杂软件应用程序的工具。你将使用设计工具为目标嵌入式操作系统（如FreeRTOS）创建SoC BSP，并实现为目标应用程序生成嵌入式引导加载程序的过程，以便在SoC上电或复位时在运行时使用。
第13章介绍了现代FPGA和SoC中实现的一些高级应用，以及这些器件为何能成为这类计算量大、带宽要求高的应用的强大计算引擎。本章阐明了如何在FPGA逻辑中轻松实现DSP应用所需的并行处理，以及如何将这些并行计算引擎与宽存储器和SoC中强大的CPU进行内部和外部接口连接。
第14章继续介绍在现代FPGA和SoC中实现的更高级的应用，并解释这些器件为何成为这些I/O和带宽要求高的应用的强大计算引擎。本章重点介绍了一些可利用FPGA multi-Gb收发器、可执行数据包检查和过滤的逻辑，以及可在软件中实现算法以管理通信堆栈并连接用户和其他板载设备的CPU。此外，本章还涵盖了FPGA和SoC中的控制应用，以及如何充分利用所有可用的功能。
充分利用本书
你需要熟悉一般的数字电子学，特别是要掌握使用硬件设计语言（如VHDL、Verilog或System Verilog）进行RTL级别的现代逻辑设计的一些基础知识。你还需要一些使用高级语言（如C或C++）进行嵌入式编程的知识，并有一些使用交叉编译器为目标嵌入式处理器构建可执行文件的经验。硬件设计流程和嵌入式软件设计流程都使用Xilinx Vivado和Vitis环境中自带的工具。你将被引导完成在主机上的安装过程。如果你在主机上运行Windows操作系统，将被引导安装VirtualBox，这是一个Oracle虚拟机管理程序，用于托管用作开发主机操作系统的Linux操作系统。
本书所涉及的软件/硬件 操作系统要求
Xilinx Vivado 2021.2或更高版本 Windows 企业版和专业版10.0
或者Window 10 HE和VirtualBox
或者Ubuntu 16.04.5 LTS至20.04.1 LTS
Xilinx Vitis Windows 企业版和专业版10.0
或者Window 10 HE和VirtualBox
或者Ubuntu 16.04.5 LTS至20.04.1 LTS
VirtualBox Windows 10
本书使用简单、合理的分步方法详细描述了所有必要的安装步骤，这将帮助你启动并运行这些工具。你只需按照说明进行操作，在安装过程中不要跳过任何步骤。此外，请确保在指示时执行所需的配置，以便可以随时使用工具，不会浪费时间进行调试，如果跳过或省略了安装或配置过程中的某个步骤，有时会出现难以追踪的问题。
如果你使用本书的数字版本，我们建议你自己输入代码或从这本书的GitHub库中访问代码（下一部分提供了链接）。这样做将帮助你避免任何与复制和粘贴代码相关的潜在错误。
如果你能得到一块Xilinx Zynq-7000 SoC板就更好了，因为你可以将FPGA比特流和可执行软件下载到板上，并在真实的硬件上执行调试和分析。然而，如果你无法访问Xilinx Zynq-7000 SoC板，仍然可以使用Xilinx工具中的虚拟目标来调试虚拟目标上运行的可执行软件并与之交互。
下载示例代码与彩图
你可以从GitHub下载本书的示例代码文件，网址为 />我们还有来自丰富的书籍和视频目录的其他代码包，可以从 />我们还提供了一个PDF文件，其中包含本书所使用的截图和图表的彩色图像，你可以从 />排版约定
本书中使用了许多文本约定。
代码体：表示文本中的代码。
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