Procesador Zynq 7000

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1.2 Objetivos

Las fases de este trabajo constan:

1. Búsqueda de documentación sobre la plataforma Zynq-7000 y sus herramientas de desarrollo, así como su instalación en el sistema operativo Linux.

2. Familiarización con las herramientas de desarrollo Vivado y el entorno de programación Xilinx SDK. Para este fin se cuenta con una serie de labs o tutoriales proporcionados por Xilinx que cubrirán desde la tarea de desarrollo hasta la de programación y testeo en la plataforma.

3. Estudio del medio de comunicación que se utilizará para transferir información a la placa.

Se justificará la opción escogida (Gigabit Ethernet) entre las distintas alternativas y se tratará de conocer y utilizar las librerías encargadas de su uso, tanto en un medio Standalone como en uno con un sistema operativo Linux.

4. Una vez se disponga de un medio de comunicación capaz de transmitir y recibir información, se realizarán diferentes benchmarks o medidas de rendimiento con el fin de optimizar y caracterizar este canal de comunicación para conocer así sus posibilidades y, especialmente, sus limitaciones.

5. Se estudiará el problema de la integración de dispositivos de catálogo o personalizados (implementados en la FPGA o PL) con el resto del sistema. El manejo de estos componentes puede no presentar demasiados problemas cuando se realiza desde una aplicación Standalone, pero la solución no es directa cuando existe un sistema operativo de por medio.

6. Complementando a la fase anterior, y con el fin de poder controlar debidamente el estado de los dispositivos y la transferencia de información, se tratará de capturar las interrupciones que puedan lanzar los periféricos de la parte programable cuando se trabaja con un sistema operativo. Se desarrollará un ejemplo sencillo y se implementarán soluciones para hacer accesibles estos dispositivos desde una aplicación de usuario, así como para transferir información entre éstos.

Capítulo 2. Estado de la Técnica

2.1 Introducción

A finales de 2012, Xilinx sacó al mercado la plataforma Zynq-7000 con su nueva familia de productos. La plataforma Zynq-7000 es un sistema PSoC (Programmable System on a Chip) constituido por dos partes diferenciadas pero interconectadas: la parte no programable (PS o Processing System) y la parte programable (PL o Programmable Logic).

La PS la constituyen dos núcleos de procesamiento ARM Cortex-A9 que gestionan los dispositivos externos, y ofrece la posibilidad de interconexión (mediante un bus AXI) con la lógica que pueda ser implementada en la zona reconfigurable o PL.

Con las FPGAs tradicionales era posible integrar sistemas completos, programando su lógica con los procesadores, memorias y periféricos o interfaces requeridos. Sin embargo, el espacio ocupado por estos componentes suponía un problema en muchos casos en los que la

inclusión de coprocesadores era necesaria.

Las plataformas Zynq solucionan este problema separando la parte de procesamiento secuencial con la incorporación de los procesadores ARM Cortex-A9 Dual-Core, potentes y ampliamente soportados y documentados. Éstos ejecutan el software, dejando así todo el espacio de la FPGA libre para ser implementado por el usuario.

La figura siguiente muestra un diagrama de la estructura y características que presentan los PSoC Zynq-7000. En ella pueden distinguirse claramente las dos partes de que consta la plataforma.

La PS constituye un sistema completo formado por los procesadores y conexiones a las memorias y distintas unidades internas, así como interfaces a los dispositivos físicos externos de cada placa.

La PL la constituye una FPGA con comunicación física directa con el

exterior y la posibilidad de interconexión entre la lógica implementada y la PS a través de buses AXI.

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Figura 1: Diagrama de la arquitectura de una plataforma Zynq

2.2 Hardware

La competencia del mercado actualmente existe dos grandes compañías compiten en el mercado de los dispositivos programables como las FPGAs: Xilinx y Altera.

Tras el anuncio de Xilinx de sus SoCs Zynq hace unos años, Altera respondió anunciando sus SoCs Cyclone V y Arria V, que integran también procesadores ARM Cortex A9 Dual-Core y periféricos físicos con una parte de lógica programable.

Históricamente, Xilinx ha acostumbrado a estar un paso por delante en cuanto a tecnología, innovación en sus productos, herramientas de desarrollo y soporte.

Esto ha hecho que posea una mayor cuota de mercado que sus rivales, por lo que también cuenta con una comunidad más grande, un incentivo fundamental para los desarrolladores.

Dentro de la familia Zynq-7000 se encuentra se encuentra la placa que se utilizará: una ZedBoard. Se trata de una placa de desarrollo completa y muy versátil, con multitud de periféricos y funciones para soportar un amplio rango de aplicaciones, e ideal para probar diferentes proyectos.

La Zedboard es una placa de desarrollo de bajo coste que contiene en su interior el SoC Zynq-7000. Esta placa está fabricada por los fabricantes de dispositivos electrónicos Avnet y Digilent, existen diferentes versiones de la placa: Avnet fabrica una placa para uso profesional y Digilent para un uso académico.

Esta placa de bajo coste se utiliza en su mayoría para ser un punto de partida para diseñadores de hardware y de software interesados en explorar todos los usos que da la gama de SoC Zynq-7000. Esta placa contiene un modelo de gama media-baja de la gama de SoC programables Zynq-7000, específicamente la Zedboard contiene un modelo XC7Z020-CLG484-1 del Zynq-7000, el modelo contiene una lógica programable equivalente a una FPGA Artix con 85000 celdas lógicas.

La placa contiene todo lo necesario para crear un diseño basado en varios sistemas operativos de corte convencional, como Linux, Android o Windows, sistemas operativos en tiempo real y la posibilidad de ejecutar código directamente sobre el hardware.

Los componentes y periféricos que integran la placa se pueden apreciar en la siguiente fotografía de la parte frontal de ésta, exceptuando el lector de tarjetas SD que se encuentra en su parte trasera:

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