Zynqでプログラミング(1) - Hello World -

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C xilinx zynq 組み込み zybo C テキストリンク

この記事について

Zynqのプログラミングを行うとき、ユーザーガイドを見たり、Googleで検索する。
でも実際に必要な情報はあまり見つからない。
さらにXILINX公式のフォーラムも、解決に至っていない投稿ばかり…
そこで、私の知識をメモ代わりに投稿する。また、シリーズで紹介しようと思う。
(私はプログラミング初心者のため、初心者向けの記事になると思う。)

まず、Zynqって何？

これは、Qiitaでもよく記事にされているのでさらっと紹介。

  • Zynq

    • XILINX社がリリースしている、PS(Processing System)部とばれるCPUと、PL(Programmable Logic)部と呼ばれるFPGAがセットになったSoC(System on Chip)デバイスのこと。
    • この記事では、開発の方針としてPS部はC言語、PL部はVHDLを使用。

  • Vivado
    XILINXが提供しているZynq開発用ツール(無償ライセンス有)。

開発環境

開発用PC

  • Windows10 64bit
  • メモリ：32GB
  • SSD：512GB

使用する評価ボード

ZYBO Z7-20
参考サイト：XILINX公式 ZYBO Z7-20

ツールのインストール

  • Vivado(私は2018.2を使用)
    XILINXの開発環境であるVivadoとSDKをインストールする。
    こちらも、よく記事にされているのでそちらを参照。
    参考サイト：ZYBO (Zynq) 初心者ガイド (1) 開発環境の準備
    ※ZYBO Z7-20のボードファイルのコピペを忘れないようにすること！

  • TeraTerm(私はver4.90を使用)
    フリーのターミナルソフト。シリアル通信によるデバッグに使用する。

Hello Worldを画面表示

HelloWorldの表示は、(上記サイトなど)多くのサイトで取り上げられているが、最初のため細かく説明する。

1.　プロジェクトの作成

Vivadoでプロジェクトを作成する。Vivadoを開いて「Create Project」を選択。

開かれたウィンドウを順番に設定していく。

「Project name」と「Project location」を設定する。

「RTL Project」を選択する。

「Target Language」は「VHDL」とする。

「Add Constraints」は特に設定しなくてよい。

「Board」タブで「Zybo Z7-20」を選択する。

内容を確認し、問題なければ「Finish」。

2.　ブロックデザインの作成

プロジェクトが作成されると、↓のような画面が出てくる。「Create Block Design」を選択してブロックデザインを作成する。

ウィンドウが開かれるため、「Design name」を設定して「OK」。(ここでは「design_1」(デフォルトのまま)とした。)

「Diagram」タブで右クリックし、「Add IP」を選択することでIPコアを追加する。
「ZYNQ7 Processing System」を選択する。これがPS部のIPコア。「PS部のIP」と呼ぶことにする。
IPコアは、FPGAの機能をひとまとまりにしたもので、ブロックデザインはIPコアをグラフィカルに線で接続して設計する。
今回はPS部の機能しか使わないのでとりあえずこれだけでOK。

「Run Block Automation」ではPS部のIPをZYBO Z7-20向けに設定を変更してくれる。

特になにもせず、「OK」。

すると、PS部のIPからDDRメモリとIOへのバスが追加された。
「FCLK_CLK0」から線を出して「M_AXL_GPO_ACLK」に接続する。これでブロックデザインは完成。簡単だ。

  • 赤枠の「Validate Design」では、ブロックデザインのチェックができる。
  • 青枠の「Regenerate Layout」では、IPを自動できれいに配置させてくれる。

「Source」タブの「Design Sources」＞「design_1(design_1.bd)」を右クリックして「Create HDL Wrapper」を選択し、wrapper(ラッパー)ファイルを作成する。

3.　論理合成～ビットストリーム生成まで

wrapperファイルができたら、論理合成、配置配線、ビットストリームの生成を行う。これらを一気に実行するには、右下の「Generate Bitstream」を選択する。
「No Imolementation Result Available」ウィンドウが表示さるが、「配置配線してないよ！論理合成と配置配線もセットでやるよ？」とのことなので「Yes」を選択する。

「Launch Runs」ウィンドウが表示されるが、そのまま「OK」でよい。

「Bitstream Generation Complete」ウィンドウが表示されれば、論理合成、配置配線、ビットストリームの生成が完了。
このウィンドウは「Cancel」で閉じる。

4.　SDKの起動

Vivadoのメニュー「File」＞「Export」＞「Export Hardware」より、hdf(ハンドオフ)ファイルをSDKのフォルダにエクスポートする。

「Export Hardware」ウィンドウが表示されるので、「Include bitstream」にチェックを入れて「OK」。
これでプロジェクトフォルダに、「helloworld(プロジェクト名).sdk」が作られ、ファルダ内にhdfファイルが作られる。このhdfファイルにはbitファイルが含まれている。

Vivadoのメニュー「File」＞「launch SDK」よりSDKを起動する。「launch SDK」ウィンドウも「OK」で良い。

5.　アプリケーションの作成

SDKが開いたら、まずアプリケーションプロジェクトを作成する。
SDKのメニュー「File」＞「New」＞「Application Project」を選択する。

「Project name」を設定する。(ここでは、「hello_app」とした。)それ以外は、デフォルトのまま「Next」。

「Hello World」を選択すると、HelloWorldを表示するソースコードが自動で作られる。

「Project Explorer」の「hello_app」＞「src」＞「helloworld.c」が、ソースコード。

  • hello_app ： アプリケーションプロジェクト
  • hello_app_bsp ： hello_appのBSP(ボードサポートパッケージ)

helloworld.c
#include <stdio.h>
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"


int main()
{
    init_platform();

    print("Hello World\n\r");

    cleanup_platform();
    return 0;
}

6.　アプリケーションの実行

アプリケーションを実行するために、まずZYBO Z7-20をPCに接続しておく。
1. ZYBO基板上のジャンパJP5の「JTAG」をショート
2. ZYBO基板電源近くのJ12(microUSB)とPCをケーブルで接続
3. ZYBOの電源を投入
4. TeraTermを起動し、ポート番号(私の場合はCOM9)とボーレート(115200)を合わせ接続

SDKに戻り、「Program FPGA」よりFPGAをZynqに焼きこむ。

「Program FPGA」ウィンドウが表示されるが、そのまま「Program」。
すると、ZYBOのDONE(LD12)緑LEDが点灯する。これでFPGAの焼きこみはOK。

今回はデバッグモードでアプリケーションを実行する。
「hello_app」＞「Debug As」＞「Debug Configurations...」を選択。

「Xilinx C/C++ Apptication(GDB)」を右クリックして、「New」を選択。

ウィンドウが変わり、bit、tclファイル、elfファイル等の確認ができる。これで「Debug」。

すると、↓のようなウィンドウが表示されるが「OK」で良い。

ウィンドウが変わり、Runを選択するとアプリケーションが実行される。

TeraTermを確認すると、「Hello World」が表示されている。これで終了！

プロジェクト作成から、アプリケーション実行までの流れは以上のような感じである。

補足.　2回目以降の実行

2回目以降の実行は、↓のようにSDKウィンドウのRunの右の▼から実行するアプリを選べば、実行できる。

SDKのエラーやbitファイル再生成時は・・・

  • SDKのエラーが突然出た(「ライブラリが参照できない」など)
    一度SDKを終了して、Vivadoからもう一度SDKを起動するとエラーがなくなることがある。

  • bitファイルを生成しなおす場合
    一度Vivadoプロジェクトの「プロジェクト名.sdk」のフォルダを全て削除してからbitファイルを再生成する。
    その後、もう一度SDKをVivadoから起動し、アプリケーションプロジェクトも再生成する。
    (本当にこの方法しかないのだろうか・・・かなり面倒・・・)

  • Vivado 2019.2
    Vivado 2019.2以降は、SDKのツールがなくなり、Vitisというものになったようだ。
    (この記事を書く意味とは・・・)