【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第二章 硬件原理图介绍

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简介

AXU2CGA/B的特点是体积小并扩展了丰富的外设。主芯片采用Xilinx公司的Zynq UltraScale+ MPSoCs CG系列的芯片，型号为XCZU2CG-1SFVC784E。AXU2CGA的PS端挂载了2片DDR4（1GB，32bit）和1片256Mb的QSPI FLASH。AXU2CGB的PS端挂载了4片DDR4（2GB，32bit），1片8GB eMMC FLASH存储芯片和1片256Mb的QSPI FLASH。

外围接口包含1个MINI DP接口、4个USB3.0接口、1路千兆以太网接口、1个USB串口、1路PCIE接口、1路TF卡接口、2个40针扩展口、2路MIPI接口和按键LED。

下图为整个开发系统的结构示意图：

ZYNQ芯片

XCZU2CG-1SFVC784E芯片的PS系统PS系统集成了2个ARM Cortex™-A53处理器，速度高达1.2Ghz，支持2级Cache; 另外还包含2个Cortex-R5处理器，速度高达500Mhz。

XCZU2CG支持32位或者64位的DDR4，LPDDR4，DDR3,DDR3L, LPDDR3存储芯片，在PS端带有丰富的高速接口如PCIE Gen2, USB3.0, SATA 3.1, DisplayPort；同时另外也支持USB2.0，千兆以太网，SD/SDIO，I2C，CAN，UART，GPIO等接口。PL端内部含有丰富的可编程逻辑单元，DSP和内部RAM。XCZU2CG芯片的总体框图下图所示

ZU2CG芯片的总体框图

其中PS系统部分的主要参数如下：

• ARM 双核Cortex™-A53处理器，速度高达1.2GHz，每个CPU 32KB 1级指令和数据缓存，1MB 2级缓存 2个CPU共享。
• ARM 双核Cortex-R5处理器，速度高达500MHz，每个CPU 32KB 1级指令和数据缓存，及128K紧耦合内存。
• 外部存储接口，支持32/64bit DDR4/3/3L、LPDDR4/3接口。
• 静态存储接口，支持NAND, 2xQuad-SPI FLASH。
• 高速连接接口，支持PCIe Gen2 x4, 2xUSB3.0, Sata 3.1, DisplayPort, 4x Tri-mode Gigabit Ethernet。
• 普通连接接口：2xUSB2.0, 2x SD/SDIO, 2x UART, 2x CAN 2.0B, 2x I2C, 2x SPI, 4x 32b GPIO。
• 电源管理：支持Full/Low/PL/Battery四部分电源的划分。
• 加密算法：支持RSA, AES和SHA。
• 系统监控：10位1Mbps的AD采样，用于温度和电压的检测。
  

其中PL逻辑部分的主要参数如下：

• 逻辑单元Logic Cells：154K；
• 触发器(flip-flops): 141K；
• 查找表LUTs : 71K；
• Block RAM：9.4Mb；
• 时钟管理单元（CMTs）: 3
• 乘法器18x25MACCs：360
  

XCZU2CG-1SFVC784E芯片的速度等级为-1，商业级，封装为SFVC784。

DDR4 DRAM

AXU2CGA板上PS端配有2片Micron(美光）的DDR4芯片，组成32位数据总线带宽和共1GB的容量。AXU2CGB板上PS端配有4片Micron(美光）的DDR4芯片，组成64位数据总线带宽和共2GB的容量。PS端的DDR4 SDRAM的最高运行速度可达1200MHz(数据速率2400Mbps)。DDR4 SDRAM的具体配置如下所示。

其中U71,U72仅AXU2CGB贴装。

位号	容量	厂家
U3,U5,(U71,U72)	256M x 16bit	Micron

表3-1 DDR4 SDRAM配置

PS端的DDR4的硬件连接方式如下图3-1所示:

图3-1 PS端DDR4 DRAM原理图部分QSPI Flash

AXU2CGA/B配有1片256MBit大小的Quad-SPI FLASH芯片，型号为MT25QU256ABA1EW9-0SIT。QSPI FLASH连接到ZYNQ芯片的PS部分BANK500的GPIO口上，图4-1为QSPI Flash在原理图中的部分。

图4-1 QSPI Flash连接示意图
eMMCFlash(仅AXU2CGB贴装)

AXU2CGB配有一片容量为8GB的eMMC FLASH芯片。eMMC FLASH连接到ZYNQUltraScale+的PS部分BANK500的GPIO口上，图5-1为eMMCFlash在原理图中的部分。

图5-1 eMMCFlash连接示意图

图5-1 eMMCFlash连接示意图

EEPROM

AXU2CGA/B开发板板载了一片EEPROM，型号为24LC04。EEPROM的I2C信号连接的ZYNQ PS端的MIO口上。图6-1为EEPROM的原理图

图6-1 EEPROM原理图部分DP显示接口

AXU2CGA/B带有1路MINI型的DisplayPort输出显示接口，用于视频图像的显示，最高支持4K x 2K@30Fps输出。ZU2CG PS MGT的LANE0和LANE1的TX信号以差分信号方式连接到DP连接器。DisplayPort辅助通道连接到PS的MIO管脚上。DP输出接口的示意图如图7-1所示:

7-1 DP接口设计示意图USB接口

AXU2CGA/B板上有4个USB3.0接口，接口为HOST工作模式(Type A)，数据传输速度高达5.0Gb/s。USB3.0通过ULPI接口连接外部的USB PHY芯片和USB3.0 HUB芯片，实现高速的USB3.0数据通信。

USB连接的示意图如8-1所示：

图8-1 USB接口示意图千兆以太网接口

AXU2CGA/B上有1路千兆以太网接口，以太网接口是通过GPHY芯片连接的PS的BANK502上。GPHY芯片采用Micrel公司的KSZ9031RNXIC以太网PHY芯片，PHY Address 为 001。图9-1为ZYNQ PS端以太网PHY芯片连接示意图:

图9-1 ZYNQ PS系统与GPHY连接示意图USB Uart接口

AXU2CGA/B板上配备了一个Uart转USB接口，用于系统调试。转换芯片采用Silicon Labs CP2102的USB-UAR芯片, USB接口采用MINI USB接口，可以用一根USB线将它连接到上PC的USB口进行核心板的单独供电和串口数据通信。USB Uart电路设计的示意图如下图所示:

图10-1 USB转串口示意图SD卡槽

AXU2CGA/B 板包含了一个MicroSD卡接口，SDIO信号与BANK501的IO信号相连，SD卡连接器的原理图如图11-1所示。

图11-1 SD卡连接示意图PCIE接口

AXU2CGA/B配备了一个PCIE x1的插槽，用于连接PCIE外设，PCIE通信速度高达5Gbps。PCIE信号直接跟BANK505 PS MGT收发器的LANE0相连接。PCIE x 1设计的示意图如下图12-1所示:

图12-1 PCIE接口设计示意图40针扩展口

AXU2CGA/B板上预留了2个2.54mm标准间距的40针扩展口，每个扩展口均包含2个3.3V电源，1个5V电源，3个地以及34个IO口。J12扩展口的IO口连接到ZYNQ芯片BANK66上，电平标准为1.8V，注意不要插1.8V之外的设备。J15扩展口的IO口连接到ZYNQ芯片BANK25，BANK26上，电平标准为3.3V。设计的示意图如下图13-1所示:

图13-1 扩展口设计示意图MIPI接口

AXU2CGA/B板上有2路MIPI接口，用于连接MIPI摄像头。MIPI的差分信号分别连接到BANK64、65的HP IO上，电平标准为+1.2V；MIPI的控制信号连接到BANK24上，电平标准为+3.3V。 MIPI口设计的示意图如下图14-1所示:

图14-1 MIPI接口连接示意图JTAG调试口

在AXU2CGA/B板上预留了一个10针的JTAG接口，用于下载ZYNQUltraScale+程序或者固化程序到FLASH。JTAG的管脚定义如下图所示

图16-1 JTAG接口管脚定义拨码开关配置

板上有一个4位的拨码开关用来配置ZYNQ系统的启动模式。AXU2CGA/B系统支持4种启动模式。这4种启动模式分别是JTAG调试模式,QSPI FLASH, EMMC和SD2.0卡启动模式。芯片上电后会检测（PS_MODE0~3）的电平来决定那种启动模式。用户可以通过拨码开关来选择不同的启动模式。SW1启动模式配置如下表17-1所示。

表17-1SW1启动模式配置LED灯

AXU2CGA/B的板上有4个用户指示灯，4个用户控制按键以及一个reset按键。4个用户指示灯和4个用户按键均连接到BANK24的IO上。LED灯硬件连接的示意图如图18-1所示：

图18-1 LED灯硬件连接示意图系统时钟

板上分别为RTC电路，PS系统, PL逻辑部分提供了参考时钟，其中RTC的时钟为32.768，PS的系统时钟为33.3333Mhz, PL端的时钟是25Mhz。时钟电路设计的示意图如下图19-1所示：

图 19-1时钟源

PL_REF_CLK的电平为+1.8V。

风扇接口

风扇为12V供电，可通过FAN_PWM信号调节转速。

电源

AXU2CGA/B的电源输入电压为DC12V，电流2A的适配器。电源接口如下图所示，尽量使用我们提供的电源适配器。

图 20-1电源接口结构尺寸图图21-1正面图（Top View）