FPGA와 ARM CPU 관계

Zynq 7000 보드를 활용한 SoC(System on Chip) 디자인의 기본 이해

Zynq 7000 보드는 FPGA(Field Programmable Gate Array)와 ARM CPU를 하나의 칩에 통합한 것으로, 하드웨어와 소프트웨어의 밀접한 연동을 통해 효율적인 설계와 시험이 가능합니다.

Zynq 7000 SoC 아키텍처

• PS (Processing System): ARM 기반의 프로세서 시스템으로, 일반적인 컴퓨터의 CPU와 같은 역할을 하며, 운영 체제를 실행하고 고수준의 연산 처리를 담당합니다.
• PL (Programmable Logic): FPGA로 구성되어 있으며, 사용자가 특정한 하드웨어 로직을 프로그래밍 할 수 있습니다. 이 부분은 주로 신호 처리, 데이터 흐름 제어 등의 작업을 맡습니다.

AXI (Avalon Interface)

• AXI는 ARM에서 개발한 인터페이스로, PS와 PL 사이, 그리고 메모리와 같은 다른 컴포넌트와 통신할 때 사용됩니다. AXI는 고성능의 데이터 전송을 가능하게 하고, 여러 대의 마스터와 슬레이브 간의 복잡한 통신을 관리합니다. 자료3에서 설명하는 AXI는 이러한 데이터 경로와 통신 프로토콜을 정의합니다.

Vivado와 Vitis 환경

• Vivado: FPGA 설계와 합성을 위한 툴로, Verilog나 VHDL 같은 HDL(Hardware Description Language)을 사용해 하드웨어를 설계합니다. 자료1에서 본 Verilog 코드는 Vivado에서 사용됩니다.
• Vitis: 소프트웨어 개발과 통합을 위한 툴로, C언어를 사용해 ARM CPU에서 실행될 프로그램을 작성합니다. Vitis는 PL에 구현된 로직과 상호작용하는 PS의 소프트웨어 컴포넌트를 개발하는 데 사용됩니다.

SoC를 위한 Peripheral 설계 & SoC Hardware Platform 설계  (아래 추가 내용 있음)

• Peripheral 설계: PL에서 구현될 수 있는 주변장치들, 예를 들어 특정 신호를 처리하거나 외부 인터페이스와 통신하는 모듈을 설계하는 것을 의미합니다. 이는 Vivado에서 HDL을 사용하여 진행합니다.
• SoC Hardware Platform 설계: 전체 시스템의 하드웨어 아키텍처를 구성하는 것으로, PS와 PL의 통합 설계, 메모리와의 인터페이스, 그리고 필요한 주변 장치들을 포함하는 방식으로 구성됩니다. 이는 자료2에서 보이는 시스템 아키텍처 다이어그램과 관련이 있습니다.

FPGA와 ARM CPU의 연동

• 통합 설계: FPGA에서는 특정 하드웨어 기능을 구현하고, ARM CPU는 이러한 하드웨어를 제어하고 결과를 처리하는 소프트웨어를 실행합니다. 두 시스템은 AXI(Avalon Interface) 같은 표준화된 버스 인터페이스를 통해 데이터를 주고받으며 통신합니다.
• 검증과 구현: FPGA에서 구현한 하드웨어는 ARM CPU에서 실행되는 소프트웨어에 의해 검증될 수 있습니다. 이를 통해 하드웨어 설계가 올바르게 작동하는지 실시간으로 확인하고, 필요한 경우 즉시 수정하고 다시 구현할 수 있습니다.

결론

이 실습을 통해 FPGA에서 구현한 로직이 ARM 프로세서와 어떻게 통합되며 상호작용하는지를 이해하고, 이를 통해 하드웨어와 소프트웨어의 통합 설계를 배우게 됩니다. 이 과정은 SoC 설계의 복잡성과 효율성을 깊이 있게 이해하는 데 도움을 줍니다.

 

 

 

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SoC 설계는 크게 두 부분으로 나누어집니다: Peripheral 설계와 SoC Hardware Platform 설계입니다.

1. Peripheral 설계 (주변장치 설계)

Peripheral 설계는 FPGA의 PL(Programmable Logic) 부분에서 구현되는 하드웨어 기능들을 말합니다. 여기서 '주변장치'는 FPGA 칩 내에서 특정 기능을 수행하는 모듈들을 의미합니다. 예를 들어:

• 신호 처리 모듈: 데이터를 받아 처리하고 출력하는 기능을 합니다. 예를 들어, 오디오 신호를 받아 소리의 질을 개선하거나 비디오 신호를 처리하여 화질을 조정할 수 있습니다.
• 통신 인터페이스: 외부 장치와의 데이터 통신을 위한 모듈입니다. 예를 들어, USB, Ethernet, 무선 통신 등 다양한 통신 방식을 지원하는 인터페이스를 구현할 수 있습니다.

이러한 모듈들은 Vivado와 같은 도구를 사용하여 HDL(Hardware Description Language)로 설계됩니다. HDL을 사용하면, 설계자는 논리 회로를 프로그래밍 방식으로 구현할 수 있으며, 이를 FPGA 칩에 직접 구현합니다.

2. SoC Hardware Platform 설계 (시스템 하드웨어 플랫폼 설계)

SoC Hardware Platform 설계는 전체 시스템의 하드웨어 구조를 설계하는 것을 말합니다. 이 설계는 다음과 같은 요소들을 포함합니다:

• 통합 설계: PS(Processing System)와 PL(Programmable Logic)의 연결과 상호작용 방식을 정의합니다. 이는 데이터를 주고받을 수 있게 하는 시스템의 '신경계'와 같습니다.
• 메모리 인터페이스: 시스템에서 사용할 메모리(예: RAM, ROM)와의 연결 방식을 설계합니다. 이는 데이터 저장과 빠른 접근을 가능하게 합니다.
• 주변 장치 연결: 필요한 모든 외부 장치와의 연결 방법을 설계합니다. 이를 통해 다양한 입력과 출력 기능을 시스템에 추가할 수 있습니다.

이러한 설계는 자료2에서 보이는 시스템 아키텍처 다이어그램을 통해 시각적으로 표현됩니다. 이 다이어그램은 PS와 PL, 메모리, 주변 장치 등 시스템의 모든 구성 요소가 어떻게 연결되어 있는지 보여줍니다.

이렇게 SoC 설계는 시스템의 모든 하드웨어 요소를 어떻게 효율적으로 통합하고 최적화할지 결정하는 과정입니다. 이 과정을 통해, 하드웨어의 모든 부분이 서로 원활하게 작동할 수 있도록 합니다.

 

 

 

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SoC Hardware Platform 설계와 Vitis는 서로 상호보완적인 관계에 있습니다. 간단히 말해, SoC Hardware Platform 설계는 하드웨어의 구조를 설정하고, Vitis는 그 하드웨어에서 실행될 소프트웨어를 개발하고 테스트하는 데 사용됩니다. 각각의 역할에 대해 더 자세히 설명드리겠습니다.

SoC Hardware Platform 설계

이 과정에서는 Zynq SoC와 같은 칩에 포함된 모든 하드웨어 요소—처리 시스템(PS), 프로그래머블 로직(PL), 메모리 인터페이스, 입출력 주변장치 등—의 구성과 연결 방식을 설계합니다. 이 설계는 하드웨어의 전체적인 아키텍처와 시스템의 성능, 기능, 통신 경로 등을 결정합니다. 예를 들어, 어떤 기능이 PL에서 처리되어야 할지, 데이터 저장을 위한 메모리의 종류와 구성은 어떻게 될지, 외부 인터페이스는 어떻게 연결될지 등이 포함됩니다.

Vitis

Vitis는 Xilinx의 통합 소프트웨어 개발 환경(IDE)으로, SoC에서 실행되는 응용 프로그램을 개발하고 최적화하기 위해 사용됩니다. Vitis는 특히 PS에서 실행되는 소프트웨어 개발에 초점을 맞추고 있으며, PL과의 인터페이스를 통해 PL에 구현된 하드웨어 로직과 상호작용합니다.

SoC Hardware Platform 설계와 Vitis의 관계

1. 플랫폼 정의: SoC Hardware Platform 설계에서 정의된 하드웨어 구성을 기반으로, Vitis에서는 이 플랫폼을 활용하여 소프트웨어 개발을 진행합니다. 예를 들어, PL에서 구현된 특정 하드웨어 기능을 PS에서 C/C++ 코드로 제어할 수 있습니다.
2. 하드웨어 추상화: Vitis는 하드웨어의 복잡성을 추상화하여 소프트웨어 개발자가 보다 쉽게 하드웨어 기능을 활용할 수 있도록 합니다. 이는 하드웨어와 소프트웨어 간의 인터페이스를 단순화하여 개발 시간을 단축하고 효율성을 높입니다.
3. 하드웨어 테스트 및 검증: 하드웨어 플랫폼이 설계되고 구현된 후, Vitis를 사용하여 해당 하드웨어에서 소프트웨어를 실행하고 테스트하여, 설계된 하드웨어가 의도한 대로 작동하는지 검증할 수 있습니다. 이는 하드웨어와 소프트웨어 간의 오류를 찾아내고 수정하는 데 중요합니다.

이렇게 SoC Hardware Platform 설계는 하드웨어의 기반을 마련하고, Vitis는 그 위에서 소프트웨어를 개발하고 최적화하여 전체 시스템의 기능을 실현하는 데 필수적인 도구입니다.