实验一嵌入式系统无系统模式编程实验

一、实验目的

理解 ZYNQ 系统中 PS 和 PL 的基本概念及工作原理。
掌握在 Vivado 环境中创建硬件工程和在 SDK 中编写嵌入式应用程序的流程。
学会编写并运行简单的嵌入式裸机程序。

二、实验原理

1. 概述

ZYNQ 系列 FPGA 的独特之处在于其集成了双核 Cortex-A9（PS）和 FPGA（PL）。实验将搭建一个最小 SOC 系统，并使用 HelloWorld 工程及自编写的 C 程序测试基本外设，通过详细的工程搭建和 ZYNQ IP 参数配置说明，学生将学会在 Vivado 和 SDK 中创建并运行一个最小的 SOC 系统。

2. 最小系统分析

最小系统由 ARM Cortex-A9、DDR3 内存和一个 UART 串口组成。程序加载到 DDR 内存中，由 CPU 执行，串口输出执行结果。

3. 硬件电路分析

使用 1GB 的 PS 端 DDR 内存。

使用 PS 端一个 UART 串口。

使用 JTAG 接口烧录程序。

硬件连接包括电脑和开发板之间的串口线及 USB 转 mini USB 线。

4. GPIO 简介

Zynq7000 系列芯片提供 54 个 MIO，这些 MIO 分配在 GPIO 的 Bank0 和 Bank1，直接隶属于 PS 部分，操作时不需要添加引脚约束。

三、实验步骤

创建 Vivado 工程。
新建 SDK 工程。
运行 Hello World 实验，通过串口打印 “hello world”。
进行 PS-MIO 点亮 LED 实验。

四、实验结果

五、实验中遇到的问题及解决办法

Vivado工程创建过程中卡顿或崩溃，关闭其他占用内存和 CPU 的程序，确保有足够的内存和 CPU 资源可用；SDK 无法识别开发板，确认开发板电源是否开启。

六、思考题

实验中 DDR 的作用是什么？ UART 的作用是什么？

DDR 用于存储程序代码和数据，CPU 从 DDR 中读取指令并执行。UART 用于串口通信，通过串口打印输出调试信息，如 “hello world”。
PS 端的 MIO、 UART 等外设接口需要添加引脚约束吗？为什么?

不需要，因为 MIO 直接隶属于 PS 部分，与 PL 部分无关，不需要通过引脚约束定义。

什么是 EMIO？ EMIO 和 MIO 的区别是什么？

EMIO（Extended MIO）：用于将 PS 部分的信号扩展到 PL 部分，实现 PS 和 PL 之间的信号交互。

MIO（Multiuse I/O）：PS 部分的多用途 I/O，直接用于 PS 部分的外设接口，不需要引脚约束

在 helloworld 实验中，示例 c 程序中哪个函数实现了串口打印？

print() 函数。

在 MIO 亮灯实验中， XGpioPs 结构体有哪些成员？它们的含义分别是什么？

BaseAddr：基地址，用于访问 GPIO 寄存器。

IsReady：指示设备是否已初始化并准备就绪。

Pin：GPIO 引脚编号。

Direction：引脚方向（输入或输出）。

OutputEnable：输出使能，控制引脚是否可作为输出。

七、实验收获、实验感想或对实验的建议（选做）

从基础的 Hello World 到 GPIO 控制，通过动手实践，理论知识得到了很好的应用和巩固。

实验二基于ZYNQ SoC移植Ubuntu系统

一、实验目的

掌握Vivado和SDK中各类工程文件的功能。
了解Linux根文件系统、内核、设备树及uboot的作用。
学会制作系统启动文件BOOT.bin的流程。
学习制作在ZYNQ上运行并支持HDMI输出的Ubuntu系统。

二、实验原理

ZYNQ开发中涉及多个关键文件，包括bit文件、elf文件和hdf文件。bit文件是由Vivado生成的，在FPGA端（PL）运行的程序；elf文件是由SDK生成的，在ARM处理器端（PS）运行的程序；hdf文件是由Vivado生成的硬件描述文件，包含PS端外设内存映射和IP核配置等信息。

为了将Vivado和SDK生成的程序固化到如TF卡的非易失性存储器中，需要制作BOOT.bin文件。BOOT.bin包含FSBL.elf、工程.bit和工程.elf三个部分。FSBL（First Stage Boot Loader）是由SDK生成的工程，编译后以elf文件的形式存在，其作用是在ZYNQ启动的第一步，将bit和elf文件妥善安置。

ZYNQ的启动过程分为三个阶段：阶段0是传统的BootROM过程，ZYNQ芯片ROM内固化了一段不可修改的程序，上电后执行，初始化基本外设控制器并将程序拷贝到ZYNQ的片上内存OCM，这个被拷贝的程序就是BOOT.bin。阶段1由加载到OCM的BOOT.bin开始执行，配置PS部分，随后配置PL部分，并加载阶段2代码。阶段2主要完成Linux系统启动，本次实验暂不涉及。

根文件系统是存储设备上数据和元数据的组织机制。它包含系统引导和加载其他文件系统所需的文件，如Linux启动时的init目录及/etc/fstab文件等。根文件系统包括许多应用程序和启动所必须的文件。

Linux内核目录结构包括arch目录（存放与体系结构相关的核心代码）、COPYING目录（GPL版权声明）、CREDITS目录（贡献者信息）、documentation目录（文档说明）、drivers目录（设备驱动程序）、fs目录（文件系统代码）、include目录（头文件）、init目录（核心初始化代码）、ipc目录（进程间通信代码）、kernel目录（内核管理核心代码）、MAINTAINERS目录（维护人员列表）、Makefile目录（内核模块组织文件）、mm目录（内存管理代码）、net目录（网络代码）、ReadMe目录（核心及编译配置方法简介）和REPORTING-BUGS目录（报告Bug内容），以及scripts目录（配置核心的脚本文件）。

三、实验步骤

使用Vivado创建HDMI裸机输出工程，并导出bit文件和硬件描述hdf文件。
在SDK中创建fsbl软件工程，编译生成elf格式的可执行文件。在Linux环境下构建根文件系统，编译Linux内核、设备树和uboot。
使用相关文件制作ZYNQ平台下的Linux系统启动镜像文件BOOT.bin。
制作TF卡启动盘，运行Ubuntu系统，通过串口连接主机，并使用HDMI接口连接显示屏以显示命令行系统。

四、实验结果

五、实验中遇到的问题及解决办法

Vivado中bitstream文件生成失败，检查设计中是否有未连接的信号或者错误的约束文件。确保所有的IP核配置正确，重新生成bitstream文件；在SDK中生成FSBL工程时编译报错，确保在Vivado中导出的硬件描述文件（HDF或XSA）正确无误。在SDK中创建FSBL工程时，选择正确的硬件平台文件。如果仍有错误，查看编译日志，修复具体错误。

六、思考题

1. 在Vivado中export hardware操作会产生什么文件?它的作用是什么?

在Vivado中执行“export hardware”操作会生成一个硬件描述文件（HDF）或者在更新版本中生成XSA文件。这些文件包含了硬件设计的描述信息，包括PS端的外设内存映射和IP核配置等信息。这些文件用于在SDK中创建和配置软件工程，使软件能够正确地与硬件交互。

2. 在**settings64.sh**脚本中，大量使用了**export**命令，它的作用是什么**? settings64.sh**脚本的作用是什么**?如果打开一个新的命令行窗口，需要重新运行settings64.sh**脚本吗**?**

settings64.sh脚本中大量使用export命令是为了设置环境变量，这些变量指定了工具链和开发环境的路径。settings64.sh脚本的主要作用是配置开发环境，使得系统能够找到并使用Vivado和SDK等工具。如果打开一个新的命令行窗口，确实需要重新运行settings64.sh脚本，因为环境变量在新窗口中不会自动继承，需要手动配置。

3. Bootbin**的制作需要哪三个文件**?**它们是如何得到的**?

Boot.bin的制作需要三个文件：FSBL.elf、bitstream文件（.bit）和应用程序的elf文件。FSBL.elf是通过在SDK中创建FSBL工程并编译得到的；bitstream文件（.bit）是通过在Vivado中生成硬件工程并导出得到的；应用程序的elf文件是通过在SDK中编译应用程序工程得到的。

4.**基于**ZynqSoC**移植**Ubuntu**系统需要编译哪些组件**?**它们的作用是什么**?

U-Boot：引导加载程序，用于初始化硬件和加载Linux内核。

Linux内核：操作系统的核心，负责硬件管理、系统资源分配和基本操作。

设备树（Device Tree Blob, DTB）：描述硬件架构的二进制文件，内核启动时使用。

根文件系统：包括系统引导、挂载其他文件系统和运行应用程序所需的基础文件。

5.**在分区并烧录好的**sd**卡中，**boot**分区内有哪些文件**?**它们分别对应基于**Zynq SoC**移植**Ubuntu**系统的哪些部分**?

在分区并烧录好的SD卡的boot分区内，通常包含以下文件：

BOOT.bin：包含FSBL、bitstream文件和U-Boot，是系统启动的第一步。

uImage或Image：Linux内核映像文件。

system.dtb：设备树文件，描述硬件架构。

uEnv.txt（可选）：环境变量配置文件，用于引导加载程序。

这些文件分别对应Zynq SoC移植Ubuntu系统的各个部分，其中BOOT.bin负责系统的初始引导，uImage或Image是操作系统的核心，system.dtb描述硬件架构，uEnv.txt配置引导加载程序的环境。

七、实验收获、实验感想或对实验的建议（选做）

通过本次实验，我们深入了解了Vivado和SDK中各类工程文件的作用，掌握了制作系统启动文件BOOT.bin的流程，熟悉了Linux内核、设备树和根文件系统的构建过程。

实验四基于QTE的嵌入式GUI设计

一、实验目的

学习如何使用Qt Creator IDE编写简单的图形界面程序
掌握QTE的安装和使用方法
学习基于QTE对Qt程序进行嵌入式移植的技术

二、实验原理

Qt是一个由奇趣科技于1991年开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。它不仅用于开发图形用户界面程序，还可以开发非图形用户界面程序，如控制台工具和服务器。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展（称为元对象编译器，moc）以及一些宏，易于扩展，允许组件编程。Qt在2008年被诺基亚公司收购，随后在2012年被Digia收购。2014年4月，Qt Creator 3.1.0正式发布，实现了对iOS的完全支持，并新增了WinRT、Beautifier等插件，废弃了无Python接口的GDB调试支持，集成了基于Clang的C/C++代码模块，并对Android支持做出了调整，至此实现了全面支持iOS、Android、WP等平台。

Qt框架提供了开发图形用户界面所需的所有功能，采用C++语言编程，功能强大，使用简单，是目前Linux图形化开发工具中的主流之一。Qt的一个重要特性是信号和槽机制，这在图形用户界面编程中尤为重要。信号和槽机制用于对象之间的通信，当一个对象的状态改变时，信号被发射，槽函数用于处理该信号。信号和槽机制类型安全，编译器可以检测类型不匹配，并且它们之间的连接是松散耦合的。信号和槽机制提供了强大的组件编程能力，使得程序的模块化设计变得更加容易。

信号和槽机制具体表现为：当一个特定事件发生时，一个信号被发射。Qt的窗口部件有很多预定义的信号，但用户可以通过继承加入自己的信号。槽函数是用于处理特定信号的函数，可以是预定义的也可以是用户定义的。信号和槽机制确保了如果将一个信号和一个槽连接起来，槽函数会在正确的时间被调用，并使用信号的参数。信号和槽机制提供了类型安全的通信方式，避免了传统回调方式的缺点。

三、实验步骤