2026-08-06发表2026-09-01更新硬件电子技术1 小时读完 (大约11796个字)0次访问

赛灵斯 Xilinx FPGA 最小系统设计指南

现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）是一种高性能、低延时、可重构，拥有高速并行运算能力，并可定制性能与功耗的可编程数字逻辑芯片，最早由 1984 年创立的赛灵思（Xilinx）公司推出，该公司由 Ross H. Freeman 和 Bernard V. Vonderschmitt 共同创办。不同于专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）固定的内部电路连接和逻辑功能，FPGA 芯片内部电路连接与数字逻辑功能都可以通过灵活的编程来定义。

目前全球 FPGA 的市场份额主要集中在 赛灵思（Xilinx，2020 年被 AMD 收购）和 阿尔特拉（Altera，2015 年被 Intel 收购）两家美国企业手中，余下的市场份额主要由 莱迪思（Lattice）和 美高森美（Microsemi）两家公司占据。国产 FPGA 芯片产业起步较晚，产品性能与专利积累较为薄弱，目前主要有 深圳紫光同创、上海安路科技、广东高云半导体、上海复旦微电子、西安智多晶、深圳易灵思、北京京微齐力、成都华微电子 等研发厂商。本文基于 AMD/Xilinx 官方提供的数据手册与参考资料，分别从 产品线序列、片上功能单元、最小系统设计 三个维度进行讨论，协助硬件工程师快速上手相关电路设计。

FPGA 的基本结构

现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）芯片的内部基本结构主要由 可编程 IO 单元、可编程逻辑单元、嵌入式块 RAM、布线资源、内嵌专用硬核 六大功能单元构成，下面这张抛砖引玉的示意图可以协助大家直观的建立起 FPGA 的基本概念：

AMD/Xilinx 产品线介绍

AMD/Xilinx 公司的纯 FPGA 产品线，主要可以划分为 7 系列、UltraScale 系列（过渡性产品）、UltraScale+ 系列 三个大系列：

7 系列：采用 28nm 制程工艺，包含 Spartan-7、Artix-7、Kintex-7、Virtex-7 四个子系列；
UltraScale 系列：采用 20nm 制程工艺，包含 Kintex UltraScale、Virtex UltraScale 两个子系列；
UltraScale+ 系列：采用 16nm 制程工艺，包含 Spartan UltraScale+、Artix UltraScale+、Kintex UltraScale+、Virtex UltraScale+ 子系列；

注意：截止到 2026 年 8 月，UltraScale 作为过度系列已经逐步边缘化，不再推荐新项目选型。

在上述三个大系列的基础之上，面向不同的应用场景，上述 FPGA 产品线还会被进一步细分为 Spartan、Artix、Kintex、Virtex 四个子系列：

Spartan 系列：低成本低功耗，面向消费电子和基础应用；
Artix 系列：平衡成本与性能，适用于低功耗中等算力场景；
Kintex 系列：高性能计算与通信，同时兼顾性价比；
Virtex 系列：旗舰级高性能和高集成度；

AMD/Xilinx 公司也推出了同时集成有 SoC 和 FPGA 功能的四款自适应 Soc（Adaptive SoCs）产品线：

Zynq 7000 SoC：采用 28nm 制程工艺，集成有单/双核 ARM Cortex-A9，拥有 12.5G 速率的收发器；
UltraScale+™ MPSoC：采用 16nm 制程工艺，集成有双/四核 ARM Cortex-A53、双核 ARM Cortex-R5F、ARM Mali-400MP2 和 H.264/H.265 视频编解码器，是应用最为广泛的通用型号；
UltraScale+ RFSoC：采用 16nm 制程工艺，集成有四核 ARM Cortex-A53、双核 ARM Cortex-R5F 和数字 RF-ADC、RF-DAC、SD-FEC，广泛应用于 5G 通信、雷达、卫星通信等领域；
AMD Versal Adaptive SoC：采用 7nm 制程工艺，集成有双核 ARM Cortex-A72、双核 ARM Cortex-R5F，以及 DSP 和 AI 引擎与可编程片上网络，主要应运用于人工智能场景；

AMD/Xilinx 公司目前力推的 UltraScale+ 系列 多处理器片上系统（MPSoC，Multi-Processor System on Chip）产品，属于集成有多种异构处理核心的高性能片上系统，主要内置有如下的片上计算资源：

应用处理器 APU：多核 64 位 ARM Cortex-A53，可运行 Linux 操作系统，负责通用计算；
实时处理器 RPU：双核 ARM Cortex-R5F，用于处理实时任务；
图形处理器 GPU：ARM Mali-400MP2 用于处理显示输出任务；
可编程逻辑 PL：UltraScale+ FPGA，用于实现硬件加速；
视频编解码：用于支持 H.264/H.265 视频编解码；

而 UltraScale+ MPSoC 系列下面又进一步划分出了下表中的 CG、EG、EV、RF 四个子系列：

UltraScale+ MPSoC 的 CG 子系列：入门级器件，主要集成有 双核 1.3 GHz ARM Cortex-A53 和 双核 ARM Cortex-R5F，系统逻辑单元数量在 81K ~ 600K 范围，其对应的具体系统功能框图如下面所示：

UltraScale+ MPSoC 的 EG 子系列：资源较为丰富，主要集成有 四核 1.5 GHz ARM Cortex-A53、双核 600 MHz ARM Cortex-R5F、多核 ARM Mali-400MP2 图形处理器，系统逻辑单元数量在 81K ~ 1143K 范围，其对应的具体系统功能框图如下面所示：

UltraScale+ MPSoC 的 EV 子系列：内置视频编解码器，主要集成有 四核 1.5 GHz ARM Cortex-A53、双核 600 MHz ARM Cortex-R5F、多核 ARM Mali-400MP2 图形处理器，以及 H.264/H.265 视频编解码器，系统逻辑单元数量在 192K ~ 504K 范围，其对应的具体系统功能框图如下面所示：

MPSoC 系列命名规则

UltraScale+ MPSoC 系列产品的命名由 设备名称 + 设备属性 + 封装信息 构成，例如对于命名为 XCZU7EV-2FFV C1156I 的 MPSoC 芯片：

设备名称 部分是 XCZU7EV：

商品级别：XC 表示商业标准级（Xilinx Commercial），XA 表示汽车认证级（Xilinx Automotive）；
产品系列：ZU 表示 Zynq UltraScale+ 系列产品线；
价值索引：该数值越大，片上资源就越丰富，价格也就越高；
处理器系统标识符：C 代表双核 APU 和双核 RPU，E 代表四核 APU、双核 RPU、单个 GPU；
引擎类型： G 表示通用规格，V 表示携带有视频解码器；

制造工艺 部分是 -2FFV：

速度等级：-1/2/3 表示最慢/中等/最快，-L1/L2 表示低功耗；
倒装封装：F 表示球距 1.0 mm 的 Flip-chip 封装，S 表示球距 0.8 mm 的 Flip-chip 封装，U 表示球距 0.5 mm 的 InFO 封装；
封装技术：F 表示 Lid 封装技术，B 表示 Lidless 封装技术；
电气标准：V 表示符合 RoHS 六项检测；

封装信息 部分是 C1156I：

封装标识符：例如 A 或者 C 等；
封装引脚数量：例如 1156 等；
温度等级：E 表示工作在 0°C ~ +100°C，I 表示工作在 –40°C ~ +100°C；

处理系统 PS & 可编程逻辑 PL

AMD/Xilinx 的 Zynq 系列属于 ARM + FPGA 异构一体化 SoC 芯片产品，其 Zynq 7000 和 Zynq MPSoC 系列均由 处理系统（PS，Processing System）和 可编程逻辑（PL，Programmable Logic）两个核心部分组成：

处理系统（PS，Processing System）：基于 ARM Cortex 架构，类似于传统的 CPU 中央处理器，可以直接运行嵌入式 Linux 操作系统；
可编程逻辑（PL，Programmable Logic）：传统的 FPGA 可编程逻辑资源，支持硬件并行处理，可通过 Verilog 或者 VHDL 进行编程；

注意：PS 和 PL 之间的低速数据交互可以采用 EMIO，而高速数据则必须使用 高级可扩展接口（AXI，Advanced eXtensible Interface）总线。

虽然更早推出的 Zynq 7000 以及后来的 Zynq MPSoC 均采用 PS + PL 的架构，但是两者的区别在于 Zynq-7000 的 PS 端为双核 Cortex-A9 架构，而 Zynq MPSoC 的 PS 端升级为了四核 Cortex-A53 加上双核 Cortex-R5 以及 GPU 的多核架构，在算力和实时性以及多媒体处理能力方面都得到了大幅提升：

基本逻辑单元 CLB

可配置逻辑块（CLB，Configurable Logic Block）是 FPGA 可编程逻辑单元的基本组成部分，每一个 CLB 包括有 2 个 Slices 切片。而每一个 Slice 切片又由 4 个 查找表（LUT，Look-Up Table）、8 个寄存器、逻辑门共同组成。

切片 Slices 可以进一步被划分为 逻辑切片（SLICEL，Slice Logic）和 存储器切片（SLICEM，Slice Memory）两种类型，其中 SLICEM 的功能更加强大，除了具备 SLICEL 的所有功能之外，还能实现分布式的 RAM、ROM 以及移位逻辑功能。除此之外，UltraScale 架构的 FPGA 内部通常还内嵌有块存储器（BRAM，Block RAM），而 UltraScale+ 架构还会内置超存储器（URAM，Ultra RAM），从而大大扩展了 FPGA 的应用范围与使用灵活性。

PS 侧的 MIO/EMIO

UltraScale+ MPSoC 在 PS 侧提供了多路复用（MIO，Multiplexed IO）和扩展多路复用（EMIO，Extended Multiplexed IO）两种 I/O 管理机制：

MIO：用于 PS 端的多路复用 IO，由处理系统 PS 直接管理的物理引脚，用于控制 PS 端的各种外设资源；
EMIO：用于 PS 端的扩展多路复用 IO，由处理系统 PS 通过 PL 可编程逻辑扩展的 I/O 接口，当 PS 的 MIO 数量不足时，可通过 PL 路由出更多的 EMIO（会引入额外延迟）；

PL 侧的 SelectIO

SelectIO 指的是用于 PL 侧的逻辑 IO 引脚，能够支持多种单端（例如 LVCMOS）和差分（例如 LVDS）电平标准（信号电平幅值越低，传输速率越快），Xilinx FPGA 的 SelectIO 对 IO Bank 进行了如下表的分类：

Bank 类型	功能特点	性能描述
高性能 Bank（HP，High Performance）	适用于高速场景（`1.0V ~ 1.8V`）；	单端速率最大 `1.6 Gb/s`，LVDS 差分速率最大 `1.8 Gb/s`，DDR4 接口速率 `2.667 Gb/s`；
高密度 Bank（HD，High Density）	单位晶圆面积提供更多 IO 引脚，适用于低速率场景（`1.2V ~ 3.3V`）；	单端速率最大 `250 Mb/s`，不支持 `LVDS` 和 `DDR`；
宽范围 Bank（HR，High Range）	适用于宽电压范围场景（`1.2V ~ 3.3V`）；	单端速率最大 `800 Mb/s`，LVDS 差分速率最大 `1.25 Gb/s`，不支持 `DDR`；

UltraScale+ MPSoC 系列的 HP Bank：拥有 52 个标准 SelectIO 引脚（24 个差分对）；
UltraScale+ MPSoC 系列的 HD Bank：拥有 24 个标准 SelectIO 引脚（12 个差分对，无 I/ODELAY 功能）；

注意：Zynq 7000 系列没有 HD Bank，UltraScale+ MPSoC 系列没有 HR Bank，不带 + 号的 UltraScale MPSoC 系列才拥有 HR Bank。

吉比特收发器 GTx

FPGA 内置的串行解串器（SerDes，Serializer/Deserializer）用于进行串行数据与并行数据的相互转换：

当 FPGA 作为接收端的时候，用于将串行数据，转换为 FPGA 内部能够处理的并行数据；
当 FPGA 作为发送端的时候，用于将 FPGA 内部的并行数据，转换为便于传输的串行数据；

注意：目前的 FPGA 芯片通常都集成有专用的 SerDes 外设单元，例如 AMD/Xilinx 的 GTx 收发器，以及 Intel/Altera 的 Transceiver 收发器。

AMD/Xilinx 在 FPGA 芯片 PL 端集成的 SerDes 外设被称作吉比特收发器（GT，Gigabyte Transceiver），基于不同的数据传输速率及其所具备的高级特性，规格书当中会分别以 GTx 格式进行命名，例如 GTP、GTX、GTH、GTZ、GTY。对应于 AMD/Xilinx 的不同产品系列，GTx 的传输速率也会有所不同：

7 系列	UltraScale 系列	UltraScale+ 系列
`GTP = 6.6 Gb/s`	`GTH = 16.3 Gb/s`	`GTH = 16.3 Gb/s`
`GTX = 12.5 Gb/s`	`GTY = 30.5 Gb/s`	`GTY = 32.75 Gb/s`
`GTH = 13.1 Gb/s`	-	`GTR = 6.0 Gb/s`
`GTZ = 28.05 Gb/s`	-	-

上述表格当中的 GTR 是集成在 UltraScale+ MPSoC 系列芯片 PS 端的硬核高速收发器，其传输速率上限为 6.0 Gb/s，采用固定的 4 对差分信号收发引脚（只能被运用于 PS 端的 PCIe2.0、SATA3.1、USB3.0、DP、SGMII 五种硬核协议）。

注意：许多数据手册和参考原理图当中出现的多吉比特收发器（MGT，Multi‑Gigabit Transceiver），通常指代的是高速收发器所在的 Bank，也就是 MGT Bank。

模数转换 XADC/SYSMON

赛灵思模数转换器（XADC，Xilinx Analog-to-Digital Converter）是 Zynq 7 系列（纯 FPGA 芯片）、Zynq 7000 系列（集成有双核 ARM Cortex-A9 系统的 FPGA 芯片）内部集成的硬核子系统，在 UltraScale+ MPSoC 架构当中更名为系统监控器 SYSMON（早期 UltraScale 采用 SYSMONE1 版本架构，后期 UltraScale+ 统一采用 SYSMONE4 版本架构，本文主要介绍后者）：

UltraScale+ MPSoC 系列芯片分别在 PS 端和 PL 端都内置有 SYSMONE4 增强型系统监控器：

PL 端系统监控器 PL SYSMON：采样率为 200 kSample/S，可以监测 PL 区域的温度，以及 PL 和 PS 端的多个电压节点，也可以基于 1.25V 差分参考输入引脚 \(V_{REFP}\) 和 \(V_{REFN}\) 进行外部模数转换采样（通过模拟差分输入引脚 \(V_P\) 和 \(V_N\)），电源使用的是 \(V_{CCAUX}\) 与 \(V_{CCADC}\) 两个引脚；
PS 端系统监控器 PS SYSMON：采样率为 1 MSample/S，只能监测芯片内部温度和电压，无法采集外部模拟信号，使用 PS 端 LPD 低功耗电源域的 \(V_{CC\_PSAUX}\) 和 \(V_{CC\_PSADC}\) 两个引脚供电；

注意：SYSMONE 是增强型系统监控器（System Monitor Enhanced）的英文缩写。

DDR 内存控制器

字节组 & 字节通道

在 DDR 相关的技术手册当中经常出现的字节组 Byte Group 和字节通道 Byte Lane 两个术语，本质上属于可以互换使用的同义词。每一组 Byte Lane 负责并行传输 8 位的数据（即一个字节），但是一个完整的 Byte Lane 不仅包含有 8 条 DQ 数据信号线，还会包含有相对应的控制与时序信号线：

8 条数据信号 DQ[7:0]；
2 条数据选通 DQS_t 和 DQS_c 组成的差分信号；
1 条数据掩码（Data Mask）DM_n 或者数据总线反相（Data Bus Inversion）DBI_n 信号；

注意：除此之外，Byte Lane 同样也是 PCB Layout 阶段信号分组和等长匹配的最基本单位。

PS 端的 DDR

UltraScale+ MPSoC 系列在 PS 端内置了 DDR 控制器和物理层的硬核实现，可以对 DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4、LPDDR4 提供支持；PS 端的 DDR 引脚位于 Bank504（PS 端 DDR 控制器专属的 MIO Bank），能够连接 16 bit、32 bit、64 bit 位宽的多枚 DDR 颗粒（所有 DDR 颗粒必须使用相同的位宽），DDR 引脚互换遵循如下三条核心原则：

DDR4 的 地址、命令、控制 信号引脚严禁交换，必须一对一进行连接；
数据通道（Byte Lane）可以整组互换（即每 8 位数据 DQ 信号，及其对应的数据选通 DQS_P/N、数据掩码 DM 信号为一个组），不同的组之间可以整组互相调换；
相同 数据通道 内部的数据 DQ 信号可以任意调换位置；

PL 端的 DDR

赛灵斯在 Vivado 当中提供了一个 IP 软核 内存接口生成器（MIG，Memory Interface Generator）来提供对于 DDR 的控制器和物理层支持（基于 HP Bank 引脚），UltraScale+ MPSoC 系列的 MIG 软核可以支持 DDR3、DDR3L、LPDDR3、DDR4、LPDDR4，这款软核对于 DDR 字节通道的绑定，主要存在如下具体规则：

DQS_t 和 DQS_c 信号必须使用该数据通道 Lane 专用的差分时钟引脚 N6 和 N7；
DM_n 或 DBI_n 信号必须使用 N0 引脚；
DQ 信号可以使用该字节通道剩余的引脚，但是不能随意跨通道进行调换；

输入输出组 IO Bank

输入输出组 IO Bank 是 FPGA 内部对引脚资源进行分组管理的单元区块，相同 Bank 上的全部 IO 引脚都共享同一个电源域（可以将 Bank 翻译为中文的组），下面以 UltraScale+ MPSoC 系列采用 SFVC784 封装的 XCZU4EV 引脚定义示意图来进行讨论：

XCZU4EV 的 PL 逻辑侧 IO 被划分为 Bank43、Bank44、Bank45、Bank46、Bank64、Bank65、Bank66、Bank224 八个组：

高性能 HP Bank：Bank43、Bank44、Bank45、Bank46（支持 DDR4、LVDS、LVCMOS 等高速接口），
高密度 HD Bank：Bank64、Bank65、Bank66（通用低速外设接口）；
吉比特收发器 GT Bank：Bank224（PL 侧的高速 SerDes 接口）；

XCZU4EV 的 PS 系统侧的 96 个 MIO 引脚则被划分为了 Bank500、Bank501、Bank502、Bank503、Bank504、Bank505 六个组：

Bank 组	MIO 引脚	Bank 组	MIO 引脚
`Bank500`	MIO[0~15]	`Bank503`	MIO[48~63]
`Bank501`	MIO[16~31]	`Bank504`	MIO[64~79]
`Bank502`	MIO[32~47]	`Bank505`	MIO[80~95]

电源の上电时序

UltraScale+ MPSoC 系列芯片定义有 4 个顶层的独立电源域，每一个域下面会再细分 内核、I/O、PLL、高速收发器、VCU、ADC 等子电源域：

PS 全功耗域（LPD，Low Power Domain）；
PS 低功耗域（FPD，Full Power Domain）；
PL 电源域（PLPD，PL Power Domain）；
电池电源域（BPD，Battery Power Domain）；

下面的框图当中，展示的是 UltraScale+ MPSoC 系列芯片的整体电源域架构：

UltraScale+ MPSoC 系列的 PL 端和 PS 端的电源域（Power Domain）相互独立，官方不强制要求双方的上电顺序，各自满足自身的上电时序即可。接下来内容当中所涉及的电源引脚定义，都可以方便的在本文后续的《UltraScale+ MPSoC 引脚定义》小节内容中查询得到。

注意：上图当中的英文 Auxiliary [ɔːɡˈzɪliəri] 表示的是辅助的意思，Xilinx 的数据手册当中经常将其缩写为 Aux。

PS 端上电时序

为了确保上电时，PS 端的 IO 引脚处于高阻态（避免上电瞬间 IO 输出的高低电平状态），并且避免这些 IO 引脚由于 PS 端电源上电时序错误，产生较大的瞬态电流导致功耗异常，官方推荐遵循如下上电顺序：

低功耗域（LPD，Low Power Domain）：Cortex-R5 实时处理器、PMU 电源管理单元、PS 端的低速 MIO 引脚（用于实现 I2C、SPI、UART、CAN 等低速协议）；
全功耗域（FPD，Full Power Domain）：Cortex-A53 应用处理器、Mali-400 图形处理器、PS 端 DDR 内存控制器、PS 端 GTR 收发器（高速 SerDes 通道，无需占用 PL 资源即可实现 USB3.0、PCIe Gen2、SATA、SGMII 等高速接口协议）；

低功耗域 LPD 推荐使用如下列表的上电顺序（下电顺序相反）：

首先 \(V_{CC\_PSINTLP}\) 开始上电；
然后 \(V_{CC\_PSAUX}\)、\(V_{CC\_PSADC}\) 和 \(V_{CC\_PSPLL}\) 三者可以任意顺序或者同时上电；

全功耗域 FPD 推荐使用如下列表的上电顺序（下电顺序相反）：

\(V_{CC\_PSINTFP}\) 与 \(V_{CC\_PSINTFP\_DDR}\) 必须使用相同的电源进行供电；
\(V_{PS\_MGTRAVCC}\) 与 \(V_{CC\_PSDDR\_PLL}\) 两者可以任意顺序或者同时上电；
\(V_{PS\_MGTRAVTT}\) 与 \(V_{CCO\_PSDDR}\)：两者可以任意顺序或者同时上电；

注意：低功耗域 LPD 必须首先就绪，然后全功耗域 FPD 再行上电。除此之外，PS 端的复位信号 PS_POR_B 在上电期间必须保持低电平 GND，上电完成之后才能释放；

PL 端上电时序

同样为了 PL 侧引脚处于高阻态，避免 IO 引脚由于上电时序错误，产生较大瞬态电流出现功耗异常，官方推荐 PL 端的上电顺序如下面列表所示（下电顺序相反）：

首先 \(V_{CCINT}\) 开始上电；
然后 \(V_{CCINT\_IO}\)、\(V_{CCBRAM}\)、\(V_{CCINT\_VCU}\) 进行上电；
最后 \(V_{CCAUX}\)、\(V_{CCAUX\_IO}\)、\(V_{CCO}\) 完成上电；

电源的同步缓升是指多路电源从 0V 开始，电压上升的斜率基本一致，电压值同步抬升，并最终同时达到额定电压。

如果 \(V_{CCINT}\) 与 \(V_{CCINT\_IO}\)、\(V_{CCBRAM}\) 设定的电压一致（必须将 \(V_{CCINT\_IO}\) 与 \(V_{CCBRAM}\) 短接），那么可以使用相同的电源进行供电（需要同步缓升）。
如果 \(V_{CCAUX}\) 与 \(V_{CCAUX\_IO}\)、\(V_{CCO}\) 设定的电压一致（必须将 \(V_{CCAUX}\) 与 \(V_{CCAUX\_IO}\) 短接），那么同样可以使用相同的电源进行供电（需要同步缓升）。

注意：除此之外，\(V_{CCADC}\) 和 \(V_{REF}\) 可以随时上电，没有上电顺序方面的要求。

高速收发器上电时序

UltraScale+ MPSoC 系列的 GTH 或 GTY 收发器实现最小电流汲取（即上电时序错误产生较大瞬态电流导致的功耗异常），官方推荐了如下两种上电顺序（下电顺序分别相反）：

\(V_{CCINT} \implies V_{MGTAVCC} \implies V_{MGTAVTT}\)；
\(V_{MGTAVCC} \implies V_{CCINT} \implies V_{MGTAVTT}\)；

上面列表里的 \(V_{CCINT}\) 和 \(V_{MGTAVCC}\) 这两路电源允许进行同步缓升。

注意：高速收发器辅助电源 \(V_{MGTVCCAUX}\)，官方没有约束其上电时序，因而可以跟随其它电源在任意时刻上电。

XCZU4EV 最小系统

本文接下来的内容会通过一块 Xilinx UltraScale+ MPSoC XCZU4EV 核心板作为典型示例，讨论 FPGA 最小系统电路的基本构成。

PS/PL DDR4

这块 XCZU4EV 核心板采用 5 片 美光科技（Micron）型号为 MT40A512M16GE 的 DDR4 内存颗粒：

PS 端：挂载 4 片 DDR4（连接到 Bank504，提供 4GB 容量和 64 位的数据位宽），PS 端 DDR4 SDRAM 的最大运行频率为 1200MHz，数据传输速率为 2400Mbps；

PL 端：挂载 1 片 DDR4（连接到 Bank64，提供 1GB 容量和 16 位的数据位宽），PL 端 DDR4 SDRAM 的最大运行频率为 1066MHz，数据传输速率为 2132Mbps；

QSPI Flash

FPGA 最小系统通常需要使用 Nor Flash 存储器（小容量，擦写寿命长，读速度快，写速度慢）来作为系统启动设备（用于存储 比特流、ARM 应用程序、用户文件 等数据），因此该 XCZU4EV 核心板配备了 1 片 华邦电子（Winbond）型号为 MT25QU256ABA1EW9 的 256Mb 容量 Flash 存储器，其内部存储位宽为 8 位（存储阵列 32M × 8bit = 256Mb = 32MB），采用 1.8V 电压进行供电，并且连接到 XCZU4EV 在 PS 端 Bank500 的 MIO 引脚上面，使用时需要将这些 IO 引脚映射为 QSPI Flash 接口。

该款存储器采用 Quad‑SPI 总线进行通信，具有 4 个双向 IO 引脚（每个时钟周期传输 4 位数据），最大总线时钟频率为 133 MHz，4 位模式下等效传输速率为 133 MT/s × 4 = 532 Mb/s。

eMMC Flash

FPGA 最小系统还需要使用 NAND Flash 存储器（大容量，单位成本低）来存放 PS 端的嵌入式 Linux 操作系统和应用程序，该 XCZU4EV 核心板配备了 1 片 美光科技（Micron）型号为 MTFC8GAKAJCN-4M 的 8GB 容量 eMMC 存储器。

注意：这颗 eMMC 存储器被连接到 PS 端 Bank500 的 MIO 引脚，数据位宽为 8 位，使用时需要将这些引脚配置为 eMMC 接口功能。

该存储器兼容 联合电子器件工程委员会（JEDEC，Joint Electron Device Engineering Council）提出的 e.MMC v5.0（即 JESD84-B50）存储接口标准，支持 DDR52、HS200、HS400 三种总线速度模式：

DDR52 模式：双倍数据速率（DDR，Double Data Rate）采样，即在时钟信号上升沿和下降沿各传输一次数据，时钟频率最高可达 52MHz，最大数据传输速率为 52MHz × 2 倍 = 104MB/s；
HS200 模式：单倍数据速率（SDR，Souble Data Rate）采样方式，通过大幅提高时钟频率至 200MHz 来提升传输效率，并采用调优（Tuning）机制进行动态时序校准，最大数据传输速率为 200MHz × 1 倍 = 400MB/s；
HS400 模式：结合双倍数据速率 DDR 采样与数据选通（DS，Data Strobe）机制，读取数据时 eMMC 存储器主动产生一个与数据窗口对齐的 DS 信号，协助 FPGA 克服高频时钟偏移问题，从而在 200MHz 的时钟频率下稳定实现双倍速率传输 200MHz × 2 倍 = 400MB/s；

接下来的封装示意图以及表格里，整理了 MTFC8GAKAJCN-4M 存储器 153 球 FBGA 封装全部引脚的位置与定义：

eMMC 引脚	类型	功能描述
\(CLK\)	`输入`	时钟引脚；
\(RST_n\)	`输入`	复位引脚；
\(CMD\)	`输入/输出`	命令引脚；
\(DAT[7:0]\)	`输入/输出`	数据引脚；
\(DS\)	`输出`	数据选通引脚；
\(V_{CC}\)	`电源`	NAND Flash 存储阵列电源；
\(V_{CCQ}\)	`电源`	eMMC 控制器电源；
\(V_{SS}\)	`电源`	NAND Flash 存储阵列接地；
\(V_{SSQ}\)	`电源`	eMMC 控制器接地；
\(V_{DDIM}\)	-	内部电压节点（禁止连接到电源和地）；
\(RFU\)	-	保留功能，悬空即可；

对于上述表格当中 eMMC 存储器电源的接法，主要从 NAND Flash 存储阵列电源 \(V_{CC}\) 和 eMMC 控制器电源 \(V_{CCQ}\) 两个电源域来进行设计和考量：

NAND Flash 存储阵列电源 \(V_{CC}\)：标准电压范围为 2.7V ~ 3.6V，通常设定为 3.3V；
eMMC 控制器电源 \(V_{CCQ}\)：可以选用 1.7V ~ 1.95V 和 2.7V ~ 3.6V 两种电源范围，通常设定为 1.8V 或者 3.3V，该电源决定了 eMMC 存储器的数据线 DAT[7:0]、命令线 CMD、时钟线 CLK 的逻辑电平；

时钟树

该 XCZU4EV 核心板分别为 PS（处理系统）和 PL（可编程逻辑）部分提供了独立的系统参考时钟，使得两者可以单独工作。除此之外，为了便于获取以 1 秒为单位的自然计时（计时器从 0 累计到 32767 可以产生 1 秒脉冲信号），还加入了实时时钟（RTC，Real Time Clock）：

32.768KHz 无源晶振可以为 PS 侧提供实时时钟，该时钟信号连接到 PS 侧 Bank503 的 PS_PADI_503 和 PS_PADO_503 引脚；
33.333MHz 单端有源晶振为 PS 侧提供系统时钟，该时钟信号连接到 PS 侧 Bank503 的 PS_REF_CLK_503 引脚；
200MHz 有源差分时钟为 PL 侧提供系统时钟（作为内部逻辑电路和 DDR4 控制器的参考时钟），该时钟信号连接到 PL 侧 Bank64 的多区域时钟引脚（MRCC，Multi‑Region Clock‑Capable），作为全局时钟使用；

UltraScale+ MPSoC 引脚定义

用户 I/O 引脚

UltraScale+ MPSoC 系列芯片的每个用户 I/O 引脚名称，都是由如下的标识格式组成：

1 2	IO_L[1 to 24][P or N]_T[0 to 3] [U or L]_N[0 to 12]_ [multi-function]_[bank number] IO_T[0 to 3][U or L]_N[0 to 12]_[multi-function]_[bank number]

下面的列表，解释了各个标识的名字：

IO：代表用户 I/O 引脚；
L[1‑24]：代表一组独立差分对（包含有正极 P 和负极 N），换而言之，不带 L 标识则只支持单端信号，不能作为差分引脚使用；
T[0‑3][U or L]：代表该引脚所属字节组，而U 和 L 分别代表在该字节组内的半字节位置（上半字节 Upper，下半字节 Lower）。
N[0‑12]：该引脚在其所属字节组内部的引脚编号；
[multi‑function]：可复用为其它硬件功能的多功能引脚，不使用复用功能时可以作为普通用户 I/O 引脚使用；
[bank number]：该用户 I/O 引脚所属的 Bank 编号；

注意：UltraScale+ MPSoC 标准 52 引脚的 HD、HP、HR Bank 都固定包含有 T0、T1、T2、T3 四个字节组（Byte Group），每个字节组内部则拥有 N0、N1、N2 … N12 共 13 个局部编号引脚。除此之外，26 引脚的 HR Bank 只拥有 T0 和 T1 两个字节组，每个字节组同样拥有 N0 ~ N12 的局部编号引脚。

多功能 I/O 引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(GC\) 或 \(HDGC\)	多功能	输入	全局时钟专用输入引脚，每个 I/O Bank 包含四组全局时钟引脚； PS_POR_B
\(VRP\)	多功能	无	P 型晶体管阻抗校准电压参考引脚，通常外接 `240Ω/1%` 的基准电阻下拉至低电平；
\(DBC\) 或 \(QBC\)	多功能	输入	字节通道时钟，字节通道时钟，DDR 内存场景等价于 `DQS`；
\(PERSTN [0 ~ 1]\)	多功能	输入	用于 PCIe 总线的硬件复位信号（低电平有效）；

配置引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(PUDC_{B}\)	专用	输入	用于配置阶段开启全部 SelectIO 引脚的内部上拉（`0` 开启配置前上拉，`1` 关闭配置前上拉），该引脚由 \(V_{CCAUX}\) 电源进行供电；
\(POR_{OVERRIDE}\)	专用	输入	上电复位延时重写（`0` 使用标准的 PL 上电复位延时（推荐默认值），`1` 缩短 PL 上电复位延时），配置前与配置过程当中，该引脚禁止悬空，该引脚必须连接至 \(V_{CCINT}\) 或者 `GND`；
\(PS_{DONE}\)	专用	输出	`PS DONE` 完成信号（需要外接上拉电阻）；
\(PS_{ERROR\_OUT}\)	专用	输出	PS 错误标识；
\(PS_{ERROR\_STATUS}\)	专用	输出	PS 错误状态；
\(PS_{INIT\_B}\)	专用	输入/输出	标识上电复位之后的初始化完成，高电平表示 PL 端初始化完成（需要外接上拉电阻）；
\(PS_{JTAG\_TCK}\)	专用	输入	JTAG 数据时钟引脚；
\(PS_{JTAG\_TDI}\)	专用	输入	JTAG 数据输入引脚；
\(PS_{JTAG\_TDO}\)	专用	输出	JTAG 数据输出引脚；
\(PS_{JTAG\_TMS}\)	专用	输入	JTAG 模式选择引脚；
\(PS_{MODE}\)	专用	输入/输出	用于配置 PS 端从哪个设备启动（QSPI、SD、eMMC、JTAG、USB）；
\(PS_{PADI}\)	专用	输入	RTC 实时时钟信号输入引脚；
\(PS_{PADO}\)	专用	输出	RTC 实时时钟信号输出引脚；
\(PS_{POR\_B}\)	专用	输入	PS 端冷上电复位，PS 上电复位过程当中保持为低电平，当 PS 端电源和参考时钟稳定之后，才允许该引脚拉高并释放复位；
\(PS_{PROG\_B}\)	专用	输入	复位 PL 配置模块，低电平有效，复位完成之后上拉为高电平（需要外接上拉电阻）；
\(PS_{REF\_CLK}\)	专用	输入	PS 端参考时钟（频率范围 `27MHz ~ 60MHz`）；
\(PS_{SRST\_B}\)	专用	输入	PS 端热复位，供调试时使用，置为 `0` 时强制 PS 端进入系统复位序列；

电源引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(GND\)	专用	无	接地引脚；
\(RSVD_{GND}\)	专用	无	保留引脚，必须连接至 `GND`；
\(RSVD\)	专用	无	保留引脚，保持悬空；
\(VCC_{INT}\)	专用	无	PL 内部逻辑电源；
\(VCC_{INT\_IO}\)	专用	无	I/O Bank 电源引脚，\(V_{CCINT\_IO}\) 必须与 \(V_{CCBRAM}\) 相互连接；
\(VCC_{INT\_VCU}\)	专用	无	视频编解码单元电源，不需要使用该单元可以将其接入 `GND` 以降低功耗，该引脚必须使用独立电源的供电，不能与其它电源轨合并；
\(VCC_{AUX}\)	专用	无	全局辅助电源引脚；
\(VCC_{AUX\_IO}\)	专用	无	I/O Bank 辅助电源引脚，必须将 \(V_{CCAUX\_IO}\) 连接到 \(V_{CCAUX}\)；
\(VCC_{BRAM}\)	专用	无	PL 端块存储器 BRAM 的电源引脚；
\(VCC_{O\_[Bank 编号]}\)	专用	无	每个 Bank 的输出驱动器电源；
\(V_{REF\_[Bank 编号]}\)	专用	无	每个 Bank 输入引脚的参考电压引脚；
\(VCC_{ADC}\)	专用	无	系统监控器 SYSMON 模拟电源；
\(GND_{ADC}\)	专用	无	系统监控器 SYSMON 模拟地；
\(VCC_{PSADC}\)	专用	无	PS 端 ADC 电源；
\(GND_{PSADC}\)	专用	无	PS 端 ADC 模拟地；
\(VCC_{PSAUX}\)	专用	无	PS 端辅助电路供电电源；
\(VCC_{PSBATT}\)	专用	无	PS 端使用电池供电的 RTC 实时时钟电源（不使用时接入 `GND`）；
\(VCC_{PSDDR\_PLL}\)	专用	无	PS 端 DDR 锁相环电源；
\(VCC_{PSPLL}\)	专用	无	PS 端的锁相环电源（`DPLL`、`RPLL`、`APLL`、`VPLL`、`IOPLL`）；
\(VCC_{PSINTFP}\)	专用	无	PS 端全功耗电源域；
\(VCC_{PSINTFP\_DDR}\)	专用	无	PS 端 DDR 全功耗电源域；
\(VCC_{PSINTLP}\)	专用	无	PS 端低功耗电源域；
\(VCC_{OPSIO[0:3]\_[500:503]}\)	专用	无	PS 端 I/O 电源，`[0:3]` 表示 PS 端的四组 I/O 电源域，[500:503] 对应的是 BGA 封装球的编号范围；
\(VCCO_{PSDDR}\)	专用	无	PS 端 DDR 控制器的 I/O 电源；

PS 端引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(PS_{MIO}\)	多功能	输入/输出	多路复用 I/O，可以被配置为 `SPI`、`USB`、`SDIO`、`UART`、`SPI`、`GPIO` 等接口；
\(PS_{DDR\_DQ}\)	专用	输入/输出	DDR 数据；
\(PS_{DDR\_DQS\_P}\)	专用	输入/输出	DDR 差分数据选通信号（正）；
\(PS_{DDR\_DQS\_N}\)	专用	输入/输出	DDR 差分数据选通信号（负）；
\(PS_{DDR\_ALERT\_N}\)	专用	输入	DDR 告警信号；
\(PS_{DDR\_ACT\_N}\)	专用	输出	DDR 激活命令信号；
\(PS_{DDR\_A}\)	专用	输出	DDR 行列地址；
\(PS_{DDR\_BA}\)	专用	输出	DDR Bank 地址；
\(PS_{DDR\_BG}\)	专用	输出	DDR Bank 组地址；
\(PS_{DDR\_CK\_N}\)	专用	输出	DDR 差分时钟（负）；
\(PS_{DDR\_CK}\)	专用	输出	DDR 差分时钟（正）；
\(PS_{DDR\_CKE}\)	专用	输出	DDR 时钟使能；
\(PS_{DDR\_CS}\)	专用	输出	DDR 片选信号；
\(PS_{DDR\_DM}\)	专用	输出	DDR 数据掩码；
\(PS_{DDR\_ODT}\)	专用	输出	控制 DDR 颗粒内部终端电阻的开启或关闭；
\(PS_{DDR\_PARITY}\)	专用	输出	DDR 奇偶校验信号；
\(PS_{DDR\_RAM\_RST\_N}\)	专用	输出	DDR 复位信号，低电平有效；
\(PS_{DDR\_ZQ}\)	专用	输入/输出	阻抗校准信号；

系统监控引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(AD_{[0 \sim 15][P 或 N]}\)	多功能	输入	系统监控器 `0 ~ 15` 通道差分辅助模拟输入引脚；
\(V_{REFP}\)	专用	无	电压参考输入；
\(V_{REFN}\)	专用	无	电压参考地；
\(V_{P}\)	专用	输入	系统监控器差分模拟输入（正）；
\(V_{N}\)	专用	输入	系统监控器差分模拟输入（负）；
\(I2C_{SCLK}\)	多功能	双向	I²C 串行时钟信号（直连到系统监控器 `DRP` 动态重配置端口，用于 I²C 操作配置）；
\(I2C_{SDA}\)	多功能	双向	I²C 串行数据信号（直连到系统监控器 `DRP` 动态重配置端口，用于 I²C 操作配置）；
\(SMB_{ALERT}\)	多功能	双向	可选的 `PMBus` 电源管理总线告警与中断信号，低电平表示存在系统故障，需要通过 `PMBus` 命令清除；

高速收发器引脚

引脚名称	引脚类型	方向	描述
\(MGTH_{RX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输入	`RXP` 和 `RXN` 为 GTH Quad 各个接收器的差分输入对；
\(MGTH_{TX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输出	`TXP` 和 `TXN` 为 GTH Quad 各个发送器的差分输出对；
\(MGTY_{RX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输入	`RXP` 和 `RXN` 为 GTY Quad 各个接收器的差分输入对；
\(MGTY_{TX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输出	`TXP` 和 `TXN` 为 GTY Quad 各个发送器的差分输出对；
\(PS_{MGTR\_RX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输入	`RXP` 和 `RXN` 为 PS-GTR Quad 各个接收器的差分输入对；
\(PS_{MGTR\_TX[P 或 N][0 \sim 3]\_[GT Quad 编号]}\)	专用	输出	`TXP` 和 `TXN` 为 PS-GTR Quad 各个发送器的差分输出对；
\(MGT_{AVCC\_[L 或 R][N 或 S]}\)	专用	输入	PL 端的 GTH/GTY 高速收发器内部收发电路的模拟电源引脚；
\(PS_{MGTR\_AVCC}\)	专用	无	PS 端的 GTR 高速收发器内部收发电路的模拟电源引脚；
\(MGT_{AVTT\_[L 或 R][N 或 S]}\)	专用	输入	PL 端的 GTH/GTY 高速收发器在收发端接电路的模拟电源引脚；
\(MGT_{VCCAUX\_[L 或 R][N 或 S]}\)	专用	输入	GT Quad 内部 4 路高速收发器共用的锁相环 `QPLL` 电路的辅助模拟电源引脚；
\(PS_{MGTR\_AVTT}\)	专用	无	PS 端 GTR 高速收发器的收发端接电路的模拟电源引脚；
\(MGT_{REFCLK[0 或 1][P 或 N]}\)	专用	输入/输出	可以配置为 GTH/GTY 高速收发器的参考时钟输入引脚，或者接收端恢复时钟输出引脚；
\(PS_{MGT\_REFCLK[0 \sim 3][P 或 N]}\)	专用	输入	PS 端 GTR 高速收发器的差分参考时钟；
\(MGT_{AVTT\_RCAL\_[L 或 R][N 或 S]}\)	专用	无	端接电阻校准电路的偏置电流引脚；
\(MGT_{RREF\_[L 或 R][N 或 S]}\)	专用	输入	PL 端的 GTH/GTY 高速收发器端接电阻的校准电阻引脚；
\(PS_{MGTR\_REF}\)	专用	输入	PS 端 GTR 高速收发器端接电阻的校准电阻引脚；

注意：上述表格当中的 Quad 表示的是 四个通道划分为一组，该单词出现在高速收发器后面的时候，表示的是一个高速收发器内部固定包含有 Channel0、Channel1、Channel2、Channel3 四条通道（Lane）。

PS 端系统配置 Bank503

Bank503 属于 PS 端进行系统配置，同时提供时钟信号和调试接口的专用 Bank，本节内容将会分门别类对这些引脚进行介绍。

启动模式

下面表格当中的四个上电采样引脚，决定了 PS 端系统的启动来源，它们只会在 PS_POR_B 引脚由低电平跳变到高电平的上升沿时刻采样一次：

信号名	方向	功能说明
PS_MODE0	输入	启动模式选择位 0；
PS_MODE1	输入	启动模式选择位 1；
PS_MODE2	输入	启动模式选择位 2；
PS_MODE3	输入	启动模式选择位 3；

复位

信号名	方向	功能说明
PS_POR_B	输入	上电复位，该引脚必须保持低电平，直至 PS 端电源域满足电压指标，PS 端参考时钟满足系统要求；该引脚变为高电平之后，PS 端开始进入启动引导流程；
PS_SRST_B	输入	系统复位，通常用于调试场景。下拉为低电平时，就会强制 PS 端进入系统复位流程；
PS_PROG_B	输入	该引脚下拉为低电平时，会清空 PL 端的配置存储器，PL 端进入未配置状态（不会影响 PS 端）；上拉为高电平之后，就会重新启动 PL 端配置流程；

状态指示

信号名	方向	功能说明
PS_INIT_B	输出	PL 端初始化完成志，可以开始收比特流，内部为开漏输出结构，必须外接上拉；
PS_DONE	输出	PS 端启动完成标志，必须外接上拉；PS 端启动流程结束之后，该引脚自动变为高电平，告知外部电路 PS 端启动完毕；
PS_ERROR_STATUS	输出	该引脚在 PS 端安全启动校验失败时，会被上拉为高电平，也可以 PMU 固件自定义输出状态；
PS_ERROR_OUT	输出	当 PMU 检测到不可恢复的严重硬件故障时，该引脚会被上拉为高电平，没有错误发生时保持为低电平；

注意： PMU 是电源管理单元（Power Management Unit）的英文缩写。

时钟

信号名	方向	Bank
PS_REF_CLK	输入	PS 端系统主参考时钟 `27MHz ~ 60MHz`，通常使用 `33.333MHz` 或者 `50MHz` 的有源单端时钟；
PS_PADI	输入	`32.768KHz` 无源 RTC 晶振输入引脚；
PS_PADO	输出	`32.768KHz` 无源 RTC 晶振输出引脚；

电源

信号名	方向	Bank
VCCO_PSIO3	电源	为 PS 端 Bank503 的所有 IO 引脚提供电源域参考，支持 `1.8V`、`2.5V`、`3.3V`，误差为 `±5%`；
VSS	接地	VCCO_PSIO3 对应的接地引脚；
VCC_PSBATT	接地	PS 侧的电池备份域电源（`1.2V~1.5V`），为 RTC 实时时钟和 BBRAM 电池备份 RAM 供电
VCC_PSADC	电源	PS 端系统监视器 SYSMON 的 ADC 模拟电源；
GND_PSADC	接地	PS 端系统监视器 SYSMON 的 ADC 模拟地；

PS 端 JTAG

信号名	方向	功能说明
PS_JTAG_TCK	输入	PS 端 JTAG 时钟
PS_JTAG_TDI	输入	PS 端 JTAG 数据输入
PS_JTAG_TDO	输出	PS 端 JTAG 数据输出
PS_JTAG_TMS	输入	PS 端 JTAG 状态机选择
PS_JTAG_TRST	输入	PS 端 JTAG 复位（低电平有效）

PL 端配置 Bank0 及专用引脚

根据赛灵思官方引脚分配相关资料的描述，Bank0 上面只存在一个 PUDC_B 引脚，也就是 配置期间上拉控制引脚（Pull‑Up During Configuration）引脚。用于在 FPGA 配置阶段，使能全部 SelectIO 引脚内部的上拉电阻：

低电平 0：预配置阶段，使能 SelectIO 引脚内部的弱上拉电阻；
高电平 1：预配置阶段，失能 SelectIO 引脚内部的弱上拉电阻；

除此之外，UltraScale+ MPSoC 还存在如下表格中的专用（Dedicated）引脚，为了便于原理图符号按照 Bank 来分组管理，通常也会将这些引脚划分到 Bank0：

引脚名称	类型	简要功能说明
POR_OVERRIDE	输入	上电复位延时设置，`0` 标准上电延时，`1` 快速上电延时；该引脚禁止悬空，必须基于 VCCINT 或 GND 上下拉；
VCCADC	模拟电源	系统监视器模拟电源；
GNDADC	模拟地	系统监视器模拟地；
VREFP	专用	系统监视器外部参考电压正；
VREFN	专用	系统监视器外部参考电压负；
VP	输入	系统监视器差分模拟输入正；
VN	输入	系统监视器差分模拟输入负；
DXP	专用	FPGA 片上温度感应二极管引脚正；
DXN	专用	FPGA 片上温度感应二极管引脚负；