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ZYNQ7000-MIO与EMIO详解_mio和emio
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摘要
本文参考芯片手册详细介绍了ZYNQ7000芯片的信号、接口与引脚，结合芯片封装说明了引脚的类别与分布，并说明了MIO与EMIO的区别。
关键词：ZYNQ；信号；引脚；MIO；EMIO；Bank
前言
了解ZYNQ7000的基础知识可参考我的另一篇博客：
传送门：ZYNQ-7000概述
一. ZYNQ7000的信号、接口与引脚
参考：UG585 - Zynq-7000 SoC Technical Reference Manual (v1.12.2) 42~59页–Ch2: Signals, Interfaces, and Pins。
1.1 ZYNQ7000引脚分组
下图展示了ZYNQ7000信号、接口与引脚的大致分组。
可见，ZYNQ7000分为PS与PL两部分，信号、接口和引脚也分属这两部分。
PS部分：
| 分类 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| PS信号与接口 | PS_CLK | PS侧专用时钟引脚，为CPU工作提供外部时钟 |
| POR_RST_N SRST_N | power on reset 上电复位 外部输入的同步复位 | |
| DDR Memory | 连接DDR的接口 | |
| USB | 连接USB的接口 | |
| Quad-SPI | 连接FLASH的接口 | |
| NAND, NOR/SRAM | 连接SRAM的接口 | |
| PS Power Pins | PS Power Pins | PS电源引脚，提供多种电平的电源 |
| Boot Mode MIO | Boot Mode MIO | PS侧的启动模式引脚，控制ZYNQ的启动模式 |
| MIO Pins, EMIO Signals | GigE, SDIO, SPI, I2C, CAN, UART, GPIO, TTC, SWDT | PS侧多种外设，既可以使用MIO引脚， 也可以使用EMIO引脚 |
| JTAG | JTAG | PS与PL共有的JTAG引脚， 烧写与调试PS/PL程序 |
PL部分：
| 分类 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| PL Signals | User SelectIO | PL为FPGA，用户可更加需要任意指定信号对应的引脚 |
| XADC | PL部分的ADC，对应引脚为固定的ADC专用引脚 | |
| MGTX | 只所示这几种芯片才有的MGTX专用引脚 | |
| PL Power Pins | PL Power Pins | PL供电引脚，提供多种PL电平 |
PS-PL交互部分（交互在芯片内部，故只存在接口与信号，不存在引脚）：
| 分类 | 名称 | 说明 |
|---|---|---|
| AXI Interfaces | M_AXI_GP × 2 | 2组AXI GP主机接口 |
| S_AXI_GP × 2 | 2组AXI GP从机接口 | |
| S_AXI_HP × 4 | 4组AXI HP从机接口 | |
| S_AXI_ACP | 1组AXI ACP从机接口 | |
| Misc（杂项）, PL Signals | FCLKS | PS提供给PL的时钟信号 |
| IRQ, Event, Standby | PL <-> PS 中断 | |
| DMA Req/Ack | DMA请求与应答 | |
| DDR Arb, AXI Idle, SRAM Int | 存储器控制 | |
| FTMD Trace, FTMT Trigs | 调试信号 |
总结一下，除去电源、地、时钟、复位、JTAG这五种引脚外，PS部分还有专门对接DDR，SRAM，USB的引脚，PL部分只有XADC和一些芯片的MGTX引脚是专用的，其余引脚均可任意配置。
1.2 电源引脚
PS与PL部分均需要多种电平的供电电源，电源需要从特定的电源引脚接入芯片。相关电源引脚（包含ADC与地）信息如下表所示。
1.3 PS信号引脚
PS部分除电源引脚外的引脚信息如下图所示。从这里可以看出来，PS部分的引脚除了电源、地、时钟、复位和DDR专用引脚外均为MIO引脚。
1.4 PL信号引脚
PL部分有少量的引脚用作特殊功能，绝大部分引脚为用户引脚，可任意配置，这些User I/O Pins即为EMIO引脚。
二. ZYNQ7000某芯片的引脚分布
参考：ug865 Zynq-7000 SoC Packaging and Pinout 30~32页 CL225/CLG225 Packages—XC7Z007S, XC7Z010, and XA7Z010
以最简单CL225封装引脚图为例，查看下ZYNQ芯片的引脚分布情况。
可以看到，空白圆⚪️为EMIO，空白六边形为MIO。
除了Dedicated Pins（专用引脚）与 Other Pins（其它引脚，由电源、地以及NC引脚组成）外，剩下的引脚根据各自的供电引脚不同分组即分为不同的Bank，Banks分布图如下：
其中，500, 501, 502这些50X的Bank为PS侧的引脚，34, 35这些3X的Bank为PL侧的引脚。其它封装也遵循此Bank命名方式。
也可以看出，PS侧的Bank主要是由DDR引脚与MIO引脚构成。PL侧Bank由少量Multi-Function引脚和EMIO构成。
三. MIO与EMIO概览及两者的区别
下图展示了MIO与EMIO接口概览。
MIO，Multiuse I/O，称为复用输入/输出，对应PS侧的可配置的多功能引脚。
EMIO，Extent MIO，称为扩展复用输入/输出，对应PL侧的可配置的多功能引脚。
MIO是外设的基础引脚，因为MIO引脚数量较少，ZYNQ也提供了EMIO接口作为MIO的扩展，外设可通过EMIO接口路由到PL侧的引脚上，来实现与MIO几乎相同的功能。
几乎相同也就意味着有些许不同，MIO和EMIO作为引脚不同的地方有3点：
1.MIO对于PL侧是透明的，PL无法得到MIO引脚上的电平信息，而EMIO因为就是PL的引脚，所以PS可以通过EMIO与PL通信
2.外设与MIO是固定搭配的，就是说要使用MIO作为外设引脚就必须是一组固定引脚。如下图，举个例子，如果你使用了MIO34作为UART0的一个引脚，那么UART0的另一个引脚必须是MIO35，USB1也是如此，除了GPIO比较特殊外，其它外设MIO都是一组一组起作用的，并且是产商预先定好的位置，不能任意指定，所以在设计硬件电路时，使用哪些引脚来连接外设要遵照这一特性。另外因为电路是确定的，使用MIO也不用指定引脚约束。
EMIO相对灵活，引脚之间预先没有绑定，可任意指定，而且使用EMIO需要加引脚约束指定到PL确定的某个引脚。
3.因为MIO引脚位置更靠近这些外设电路，所以相较于使用EMIO，一些外设使用MIO性能更好。还有一些外设只能使用MIO无法使用EMIO（上图也有展示），UG585中说明了这些差异，如下图所示。
四. MIO Bank与封装Bank的区别与联系
在 二. ZYNQ7000某芯片的引脚分布 中已经说明了封装是分Bank的，而MIO引脚也是分Bank的，MIO分为Bank 0 和 Bank 1，其中 MIO Bank 0是封装Bank 500中的部分引脚，MIO Bank 1是封装Bank501中的部分引脚。具体MIO引脚的Bank分布及其与外设的关系如下图MIO一览表所示。
Bank 0包括MIO 0~15 共16个MIO，Bank 1包括 MIO 16~53 共38个MIO（除了7z010和7z007s外），所以，MIO共54个。
而EMIO共64个。
五. 特殊的MIO
一般来说MIO同一程序只能被配置成一种功能，而MIO[2:8]不同，这些引脚在芯片上电启动时起作用，它们还可被配置为其它功能，这并不冲突，因为其它功能是在芯片启动后起作用，这时MIO[2:8]的启动模式选择功能等就失效了。
MIO[8:7]控制Bank的电压，MIO6控制PLL使能，MIO[5:2]控制Boot Mode。
同时MIOMIO[8:7]只能被配置为输出。
六. 总结
本文介绍了ZYNQ7000系列芯片的引脚的基本信息，包括引脚的分类，分布，Bank等。还重点介绍了MIO与EMIO的定义以及两者间的区别。基本上，MIO可理解外PS侧的用户IO，EMIO则为PL侧的用户IO，它们均被配置为多种功能。EMIO是对MIO的扩展，它可以作为PS与PL通讯的一种媒介。
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