Avnet ZUBoard1CG板卡測評(píng)報(bào)告

前言

2022年11月30日，OpenAI推出聊天機(jī)器人ChatGPT。僅用了2個(gè)月，月度活躍用戶就達(dá)到了1億人。2024年2月15日，文本生成視頻應(yīng)用程序Sora橫空出世，強(qiáng)勢登上各大媒體熱搜榜。對此，眾人紛紛感嘆，人工智能時(shí)代已經(jīng)來臨！

人工智能是個(gè)大的學(xué)科領(lǐng)域，而ChatGPT和Sora則是人工智能領(lǐng)域下的機(jī)器學(xué)習(xí)類應(yīng)用程序。機(jī)器學(xué)習(xí)，是使用一定的算法，讓計(jì)算機(jī)能夠從數(shù)據(jù)中得出模式和規(guī)律，并進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和改進(jìn)，可以在沒有明確編程的情況下做出決策或預(yù)測的行為。機(jī)器學(xué)習(xí)在我們的生活中隨處可見，如語音識(shí)別、人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛等，改變著我們生活中的方方面面。

目前常見的AI芯片有GPU、FPGA和ASIC。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的爆發(fā)，使得原本小眾的FPGA，因其高算力、低功耗和高靈活性，迎來了快速的發(fā)展，市場需求也成倍地增長。

本文將介紹一款基于AMD Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC，低成本、高性價(jià)比的FPGA開發(fā)板——Avnet（安富利）ZUBoard 1CG。

• 產(chǎn)品介紹

如圖，ZUBoard 1CG FPGA開發(fā)板外形尺寸為135.00 x 75.00 mm，大概就是成人巴掌大小，非常精致。背面有5個(gè)軟膠腳墊，方便放置。整體元器件布局也很整齊，看起來很舒服。

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ZUBoard 1CG功能豐富、靈活性高、價(jià)格合理、擁有大量的參考設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)資料，可以讓工程師盡情地學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)AMD Xilinx Zynq UltraScale+體系結(jié)構(gòu)。

ZUBoard 1CG開發(fā)板具有81K可編程邏輯單元，雙核Arm Cortex-A53 和雙核Arm Cortex-R5F，1GB的ISSI LPDDR4，可設(shè)置的256Mb ISSI QSPI閃存或microSD卡啟動(dòng)選項(xiàng)。4個(gè)ZU+ PS GTR收發(fā)器、18個(gè)PS MIO和69個(gè)PL I/O都通過三個(gè)Samtec擴(kuò)展連接器和一個(gè)Click Board座子引出來了。

主要特性：

• AMD ZU+MPSoC XCZU1CG-1SBVA484E
• 雙A53 APU和雙R5 RPU
• 56KB片上存儲(chǔ)器
• 81900個(gè)FPGA邏輯單元
• ISSI 1GB LPDDR4，帶片上ECC（錯(cuò)誤檢查和糾正技術(shù)）
• 可選的ISSI 256Mb QSPI或microSD卡啟動(dòng)
• PetaLinux環(huán)境可供下載
• Microchip 10/100/1000有線以太網(wǎng)PHY和MAC ID EEPROM
• Microchip USB 2.0 PHY
• Microchip USB-C輸入電源控制
• Dialog GreenPAK開/關(guān)控制器和電源時(shí)序器
• TDK μPOL電源模塊
• 板載JTAG和UART調(diào)試接口
• STMicroelectronics溫度和壓力傳感器
• 支持后備電池實(shí)時(shí)時(shí)鐘和FPGA比特流加密，帶ECS和自定義電源
• Samtec連接器實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展
• 用戶可控制的RGB三色燈和單色LED
• 用戶可控制的滑動(dòng)開關(guān)和按鈕I/O

二、外設(shè)介紹

圖中已經(jīng)非常清楚地標(biāo)識(shí)出了各種外設(shè)及接口，在此筆者就不一一介紹了，挑幾個(gè)常用的接口介紹一下：

• 15V USB C Power Input（J15），這個(gè)接口是電源輸入口，官方的建議是15V/3A，板上有個(gè)Microchip UPD301C/KYX USB PD控制器，有些筆記本5V/9V/15V/20V自適應(yīng)輸出的適配器，是剛好符合要求的。沒有的話也沒關(guān)系，某寶搜“45W PD充電頭”，找有5V/9V/15V/20V電壓輸出的品牌貨（盡量不要用雜牌），也是沒有問題的。
• USB JTAG/UART（J11），JTAG/串口調(diào)試用的，板載FTDI FT2232HL USB轉(zhuǎn)串口芯片，所以只需要一根MicroUSB數(shù)據(jù)線就行了。注意不是串口線，也不是Type-C數(shù)據(jù)線。
• USB 2.0 Type A Ports（J13），這個(gè)可以接USB攝像頭用。
• Ethernet Connector（J11），RJ45網(wǎng)口座，接網(wǎng)線與電腦連接傳輸數(shù)據(jù)。
• microSD socket（J12），可以將裝載有系統(tǒng)的microSD卡插在此處，調(diào)整Boot mode switch（SW2），設(shè)置成SD卡啟動(dòng)，就可以運(yùn)行microSD卡中的系統(tǒng)了。
• Power ON/OFF button（SW7），電源開關(guān)按鈕，上電后，按一下開機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)，需要關(guān)機(jī)時(shí)，長按10秒。
• Reset button（SW6），復(fù)位按鈕，通常是開機(jī)連接串口后，串口軟件中看不到開機(jī)信息時(shí)，可以按這一下復(fù)位，重新啟動(dòng)系統(tǒng)，這樣就可以看到開機(jī)信息了。
• 開箱測試

hackster上目前發(fā)布了有20個(gè)左右關(guān)于ZUBoard 1CG開發(fā)板的project，包括Avnet官方和一些興趣愛好者的。內(nèi)容詳細(xì)，教程簡單，大大地降低了FPGA的上手難度。這里就以攝像頭識(shí)別手勢的project為例，展示一下這個(gè)開發(fā)板的玩法。

Project原文鏈接：

https://www.hackster.io/AlbertaBeef/asl-classification-with-vitis-ai-025765

1. 準(zhǔn)備工作

硬件部分：

• ZUBoard 1CG開發(fā)板
• 15V/3A Type-C接口電源
• micro USB數(shù)據(jù)線
• 網(wǎng)線
• USB攝像頭
• micro SD卡（16GB或以上）和讀卡器
• USB-A轉(zhuǎn)RJ45網(wǎng)口轉(zhuǎn)換器（選配，不帶網(wǎng)口的筆記本要用）

軟件部分：

• SD卡鏡像文件，可以在上面鏈接中找到下載，注意文件較大，解壓后約11GB。
• SD卡鏡像文件燒錄工具，推薦Win32DiskImager
• UART和SSH工具，推薦MobaXterm，一款軟件搞定2個(gè)工具
• OpenCV，顯示USB攝像頭內(nèi)容

看到這里，有些同學(xué)會(huì)說，你這都是些什么工具啊，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)工具都沒有，那還能學(xué)FPGA嗎？沒錯(cuò)，學(xué)FPGA還需要用到設(shè)計(jì)工具，AMD FPGA有軟硬件開發(fā)工具——Vivado和Vitis，如果要做應(yīng)用開發(fā)的話，還需要用到Petalinux。本次展示的project相當(dāng)于學(xué)51單片機(jī)時(shí)，流水燈的hex文件已經(jīng)生成好了，直接下載到開發(fā)板看效果就行了。也就是說，即使你完全不懂FPGA，也可以將這個(gè)板卡當(dāng)成一個(gè)小玩具來玩的。

接下來，我們先對板卡進(jìn)行上電測試，確認(rèn)各方面都是正常的。

2. 新板首次上電測試

ZUBoard 1CG是通過網(wǎng)線和電腦連接在一起的，所以還需要對電腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置，保證電腦和開發(fā)板在同一網(wǎng)段上，以便網(wǎng)線連接開發(fā)板。

筆者用的是不帶網(wǎng)口的筆記本，wifi上網(wǎng)，所以還需要用到一個(gè)USB轉(zhuǎn)網(wǎng)口的轉(zhuǎn)接器。這里用的是共享網(wǎng)絡(luò)的方法。如下圖，打開控制面板 – 網(wǎng)絡(luò)和Internet – 網(wǎng)絡(luò)連接，Wi-Fi是正在使用的網(wǎng)絡(luò)，Ethernet 4是網(wǎng)口轉(zhuǎn)接器。

右鍵Wi-Fi打開屬性，點(diǎn)“共享”，勾上“允許其他網(wǎng)絡(luò)用戶……”，家庭網(wǎng)絡(luò)連接選“Ethernet 4”，也就是把wifi網(wǎng)絡(luò)共享給網(wǎng)口轉(zhuǎn)接器，這里根據(jù)電腦的實(shí)際情況自行選擇。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)置好之后，通過網(wǎng)線、USB數(shù)據(jù)線將板卡與電腦連接好，打開串口通信工具，波特率設(shè)置為115200。插上15V電源，按SW7按鈕開機(jī)，此時(shí)電腦會(huì)有串口連接提示。如果串口工具連接后開機(jī)信息顯示不全，可以再按一下SW6復(fù)位一下。

串口信息顯示如下：

此時(shí)開發(fā)板會(huì)獲得一個(gè)IP地址，這個(gè)地址每個(gè)板不一定相同。信息上還有提示可以在瀏覽器上輸入地址連接開發(fā)板，打開瀏覽器輸入地址，出現(xiàn)以下畫面，那么恭喜，這就表示板卡正常，電腦也已經(jīng)成功連接上板卡了，可以進(jìn)行下一步，運(yùn)行應(yīng)用程序了。

3. 運(yùn)行手勢識(shí)別案例測試

（1）運(yùn)行Win32DiskImager，將鏡像燒錄進(jìn)SD卡。

（2）通過SW2更改開發(fā)板的啟動(dòng)方式為SD卡，更改后如圖。

（3）USB數(shù)據(jù)線、網(wǎng)線與電腦連接，SD卡插入J12卡槽，USB攝像頭插入開發(fā)板USB-A口，打開串口工具，然后插入電源，等待串口工具上的開機(jī)信息停止。停止后會(huì)提示login，輸入root，回車即可。然后按照教程中的指令輸入，查詢app、DPU架構(gòu)是否正確，查詢ip地址，如圖所示。

其中查詢app和DPU架構(gòu)，只需要在第一次運(yùn)行的時(shí)候確認(rèn)沒問題就行了，后續(xù)如果沒有什么變更的話，就不需要再運(yùn)行了。比如USB攝像頭換成雙目攝像頭了，這個(gè)就需要重新變更確認(rèn)的。ip地址每次都需要查詢確認(rèn)一下。

（4）這時(shí)切換SSH，輸入IP地址，注意端口為22，打開SSH界面后，登錄root，輸入對應(yīng)的指令，就會(huì)出現(xiàn)如下界面。最后一行輸入，回車后，就會(huì)運(yùn)行手勢識(shí)別程序了。

（5）運(yùn)行手勢識(shí)別程序的結(jié)果，如圖，可以根據(jù)不同的手勢，識(shí)別出對應(yīng)字母或數(shù)字?，F(xiàn)在演示的手勢是按照已經(jīng)定義好的手勢，有興趣的同學(xué)可以自行研究代碼，自定義手勢對應(yīng)的含義。比如手比出某個(gè)手勢，屏幕上直接顯示出“我愛xxx”，是不是感覺有點(diǎn)浪漫呢。

四、小結(jié)

以上可以看出，ZUBoard 1CG上手還是比較容易的，可玩性也很強(qiáng)，可以進(jìn)行一些視頻和視覺處理、邊緣計(jì)算、AI算法、控制系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。

這時(shí)，專業(yè)的FPGA工程師可能會(huì)說了，這板卡性能沒多強(qiáng)啊，只能讓新手做入門學(xué)習(xí)和架構(gòu)體驗(yàn)吧？其實(shí)不然，很多人認(rèn)為FPGA是一種高端高成本的產(chǎn)品，事實(shí)上，低端FPGA在應(yīng)用上也是非常廣泛的。

FPGA是并行的工作方式，比相同等級(jí)的ASIC運(yùn)行速度更快，具有低延遲、高實(shí)時(shí)性及高可靠性，在多通道的控制、管理、信號(hào)處理上擁有明顯的優(yōu)勢。

FPGA高度可定制化，在非大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中，如醫(yī)療、航空等，相較于CPU、GPU、ASIC也是擁有較大的優(yōu)勢。

綜上所述，ZUBoard 1CG開發(fā)板低成本、高性價(jià)比，不僅適合做工程師入門學(xué)習(xí)、練手和驗(yàn)證設(shè)計(jì)使用，也適合成本敏感，需要處理速度快，可自由設(shè)計(jì)，且不需要很高算力的產(chǎn)品應(yīng)用。