Zynq-7000可扩展处理平台

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关键词： Xilinx公司 , Zynq-7000 , 可扩展处理平台

Xilinx公司 当前嵌入式设计发展迅猛，有很多需求无法被现有的产品满足。现有的产品包括单个处理器、单个ASIC、ASSP或者单纯的FPGA方案，甚至这些方案的组合也都无法满足需要。根据市场调查显示，全新的嵌入式应用比如汽车驾驶员辅助系统、智能视频监视、先进的工业控制、遥测与制导、企业级的工作站、广播级的摄像机、多功能打印机、航空航天电子等应用，这些新的嵌入式设计的机会预计到2014年市场总价值将达到127亿美元。 深入了解下一代嵌入式处理器的需要，你会发现提高性能、减低成本、降低功耗、缩小外形、增加灵活性是主要需要。现有方案的局限性也是相当明显的，例如现有的微处理器缺乏足够的信号处理能力，需要多芯片方案来搭建下一代的处理器系统。多芯片方案成本较高，功耗大，占用更多的空间，不利于缩小外形，同时如果采用现有的ASIC或ASSP方案，更新换代的速度或者说差异化的能力都会受限，不能够适应快速变化的需求，也很难提供差异化的竞争优势，这些局限性使我们看到下一代处理器需要解决的和应对的方面。在这些市场需求推动下，赛灵思的Zynq系列产品脱颖而出，是全新的产品，为您分担下一代处理器的设计挑战。 Zynq-7000系列优势 分析当前方案的优缺点，你会发现ASICs、ASSP和双芯片的解决方案各有优劣。在性能、功耗和芯片成本方面，ASICs和ASSP占优，但总拥有成本方面，自己定制ASICs初期投入巨大，ASSP和双芯片就不需要初期投入，总拥有成本方面容易控制。同时ASICs有技术风险和生产方面的风险，研发周期相对比较长，在上市时间、灵活性和可扩展性方面有相当的局限性，通常只有很大的公司在瞄准比较准确的市场需求的时候才会选择自己定制ASICs。ASSP通常具有很多优点，当然ASSP公司会选择确定性比较大的市场机会，为几个市场需要共同定制共同的产品，ASSP在上市时间、风险、总拥有成本等方面是占优的，但在差异化、可拓展性方面会有问题。双芯片方面相对来说拓展性会好一些，但是在性能、功耗和成本方面却缺乏优势。 为了满足下一代应用处理需要，赛灵思定义了Zynq-7000系列产品，首先推出了四款，分别是7010、7020、7030和7040，都是高性能和低功耗的处理器平台，是灵活和可扩展的解决方案。它们符合工业标准的设计环境，具有完整的软件编程模型，还有大家非常熟悉的软件和硬件的设计流程。它们具有灵活的加速器和IP核，通过标准接口互联，由于ARM具有广泛的生态系统支持，Zynq-7000系列也可以充分利用现有的工具链、操作系统和IP 核，甚至中间件和编解码器，希望大家在处理器系统和可拓展的编程逻辑方面做一个全新的结合。 Zynq-7000系列的亮点在于第一它包含了完整的ARM 处理子系统，每一颗Zynq-7000系列的处理器都包含了双核的Cortex™-A9处理器，整个处理器的搭建都以处理器为中心，而且处理器子系统中集成了内存控制器和大量的外设，使Cortex™-A9的核在Zynq-7000中完全独立于可编程逻辑单元，也就是说如果暂时没有用到FPGA的部分，ARM处理器的子系统也是可以独立工作，这与以前的FPGA处理器有本质区别，是以处理器为中心。另外在可编程逻辑部分是紧密的与ARM的处理单元相结合。FPGA的部分用于扩展子系统，有丰富的扩展能力，有超过3000 个内部互联，提供的带宽非常丰富。此外在IO整件方面，FPGA的优点是IO可以充分自定义，可以在FPGA部分提供集成高速的串行口，执行多种串行标准。同时在FPGA内集成了一个硬核，即模数转换器，这些总体部件共同构成整体框图。 Zynq-7000系列架构 从结构框图上看，可分成处理器系统部分和可编程逻辑部分。处理器部分图中用浅蓝色标注，可编程逻辑部分是在黄色的区间。在处理器部分中最显著的模块是ARM处理器内核，ARM 处理器内核包含两个Cortex™-A9多处理器子系统，每个独立的处理器都包含独立32K的ICASH和32K的DCASH，每一个处理器都可以运行高达800MHz。另外他们有共享的512K的 L2 CASH，有专用的SCU，也包含256K字节的存储器等基本单元。两个处理器可以工作在对称或非对称的工作模式，甚至可以只用其中一个，或在两个之间建调度关系，两个处理器可以用传统的ARM调试方式进行调试，在软件工具方面可以有传统的调试工具和ARM工具等。在这些处理器的左边有相当多的外设，这些都是低速控制器，同时支持两组DXIO引擎。这里有一个IO MAX单元，因为外部设备需要的反角远远多于芯片上提供的，这些低速外设也不是在每个应用场景里都会用到，所以也选用其中的一部分，把选中的低速外设用IO外设引用到芯片外部，接到外部器件去。 在处理器子系统框图的上边的部分，有S1和D1的控制器，S1控制器或者说静态存储器包含多个接口， 都是硬核，可以通过IOMAX接到外部去，有部分内核是和启动过程相关的，另一部分是专用的。 另外在D1控制器方面，可以支持DDR3、 DDR2还有LPDDR，这些都是嵌入式子系统的内存，这些存储器部分都是处理器系统的硬核。在启动的时候，处理器子系统是完全不依赖于逻辑的部分，因此在启动的时候，处理器子系统部分会首先的动起来，然后才开启可编程逻辑部分的配置，甚至可以完全不使用可编程逻辑，只使用处理器，在需要的时候才对可编程逻辑进行加载，定义它的功能，激活其中的一些部件，可以达到节省功耗的目的。 可编程逻辑的部分 可编程逻辑的部分通常会包含相当数量的逻辑单元，ASIC设计工程师可能会把它理解成最新配置，同时也包含了DSB单元大块的RAM ，或者是分布式的RAM，在IO方面支持高速的1.8V和3.3V的IO，这些在每个器件里有一定的组织关系。IO也是FPGA灵活性的主要体现，每个IO可以单独定义它的功能，可以设定每个IO BANK的电压标准。另外在可编程逻辑里面可以看到AMS的硬核，这部分是端点控制器，可以引到外面的处理器子系统里去。 Zynq-7000处理器是一套完整的系统，硬核的部分和软核的部分是互相协同的工作方式，由于存在可编程逻辑的部件，大家在应对下一代的应用需求或者对现有需求进行延伸扩展时有非常大的灵活性。同时ARM的处理方面是工业标准的部件，可以用以前的代码和以前的设计，也可以引用很多业界上先进的设计，是很好的处理器，希望大家可以从网站上进行更多深入的了解。 图1 接下来我们对ARM的处理器子系统介绍更多的细节，特别指出ARM子系统不仅包含两个Cortex-A9，每个Cortex-A9都包含了NEON可扩展的部分，NEON可以用在简单的图像处理，也可以用于浮点束，它是支持单精度或者双精度浮点运算的。我们预计最高的工作频率可以达到800M Hz。另外在存储器接口方面也有两条256K存储器和闪存，处理器和外部的关系也是通过AXI-4 这个标准来定义的，处理器和可编程逻辑之间互联带宽非常宽，有多条AXI-4进行互联，另外也可以通过ACP加速端口进行选件，根据前面的情况进行加速，此外还有8个DMA通道，这与市场可以买到的处理器相似。 在黄色的FPGA区域我们采用最先进的7系列FPGA逻辑单元。逻辑单元的容量从30K到235K，如果按ASIC门的方式来统计，容量范围可以达到430K ASIC门到350万个ASIC门之间。此外在FPGA部分和处理器部分有超过3000个内部互联，互联总带宽高达100G/S, 他们是通过处理器的MEMORY访问的，所以在应用模型上跟传统的FPGA处理器编程模型是完全一致的。在并行处理方面由于IPJ比较适合做并行处理，最多可以多达760个处理引擎，总效能超过了910G/S，此外集成的单元是双通道的，每通道是12位的模拟转换器，数据可以高达1M/S。 Zynq-7000处理器平台价值定位 把Zynq-7000的优缺点和ASIC、ASSP以及双芯片解决方案并列在一起，大家可以看到Zynq-7000在性能方面和ASIC、ASSP是相当的，因为它是处理器子系统部分和逻辑部分在业界是非常领先的。另外在功耗方面，由于使用28纳米的制造工艺，整个芯片设计都达到了低功耗，制造成本可能会比ASIC、ASSP的芯片成本贵一些，但相对双芯片方案还是合适的。在总拥有成本方面由于不需要高额的一次性费用，总拥有成本方面非常好。在风险控制、上市时间、灵活性、可扩展性方面，Zynq-7000同时具备可扩展性和FPGA的可扩展性，在管理风险上有优势，总体来看，Zynq-7000会有比较长的生命周期，是比较新的解决方案。 问答选编 问：什么是赛灵思 Zynq-7000 可扩展处理平台？ 答：Zynq-7000 可扩展处理平台是包括四款器件的产品系列，该产品系列集基于 ARM® Cortex™-A9 MPCore 处理器的完整片上系统 (SoC) 和集成的28nm可编程逻辑为一体。每款器件均为基于处理器的系统，能够在通过可访问的可编程逻辑重设时即可启动操作系统。这些新型器件使系统架构师和嵌入式软件开发人员能够通过串行（使用 ARM 处理器）和并行（使用可编程逻辑）处理相结合的方式，满足各种日趋复杂的高性能应用需求，同时可以利用其高度集成的优势大大降低成本和功耗，并缩小产品尺寸。 问：Zynq-7000 可扩展处理平台针对哪些应用？ 答：Zynq-7000系列专为要求高处理性能的嵌入式系统而构建，其目标市场包括汽车驾驶员辅助、智能视频监控、工业自动化、航空航天与军用、广播以及新一代无线应用等。 问：Zynq-7000系列为何不是 FPGA？ 答：Zynq-7000 可扩展处理平台是采用赛灵思新一代 FPGA所采用的同一28nm可编程技术的最新产品系列。可编程逻辑可由用户配置，并通过“互连”模块连接在一起，这样可以提供用户自定义的任意逻辑功能，从而扩展处理系统的性能及功能。不过与采用嵌入式处理器的 FPGA 不同，Zynq-7000 产品系列的处理系统不仅能在开机时启动，而且还可根据需要配置可编程逻辑。采用这种方法，软件编程模式与全功能的标准 ARM 处理 SoC毫无二致。 问：可以提供的开发工具有哪些？ 答：软件开发人员可充分利用 Eclipse 环境、Xilinx Platform Studio 软件开发套件(SDK)、ARM Development Studio 5 (DS-5™) 和ARM RealView 开发套件 (RVDS™)，或 ARM互联社区和赛灵思联盟计划生态系统的领先厂商提供的编译器、调试器和应用。利用赛灵思屡获殊荣的ISE® 设计套件所提供的综合而全面的硬件开发环境，Zynq-7000 系列的可编程逻辑可以通过定制最大化系统级性能和满足特定应用的各种需求。 问：赛灵思为何采用ARM处理器技术？ 答：主要考虑到 ARM 的处理器产品规划和广阔的生态系统，而且 ARM 在业界居于领先地位，拥有庞大的客户群：实践证明 ARM 是一家出色的供应商，拥有 200 多家芯片合作伙伴、500 多家许可证持有人，全球有 170 多亿已出货产品采用了其设计方案。ARM 显然已在处理器架构领域赢得了世界级的地位，而且向嵌入式、主流和高性能应用领域提供经市场验证的产品与服务。 问：“可扩展”意味着什么？* 答：在软件工程领域，可扩展性是指实现方案考虑到未来发展需求的系统设计原理。这是一种能够扩展系统的系统性举措，也是实现扩展所需的工作。扩展可体现为增加新功能，也可体现为现有功能的修改。其核心主题就是在尽可能减少现有系统功能变动的基础上实现变革。 问：日前宣布的消息与赛灵思目标设计平台之间是什么关系？ 答：Zynq-7000 可扩展处理平台是赛灵思目标设计平台战略的重要组成部分，该平台可帮助软/硬件设计人员进行 FPGA 设计时充分利用开放式标准、通用设计方法、开发工具和运行时间平台。IP 标准化和生态系统支持是用可编程逻辑器件成功实现 SoC 的基石。ARM 联盟反映了赛灵思在上述两大领域的努力和投资。 问：日前宣布的新闻是否会影响赛灵思对 PowerPC®架构的支持？ 答：不会。赛灵思提供了丰富的嵌入式处理功能，包括高性能 Virtex FPGA 系列产品中的集成硬核，为满足新一代嵌入式处理技术的未来要求奠定了基础，但公司仍将继续支持 PowerPC 架构，以满足使用 Virtex-II Pro FPGA、Virtex-4 FX FPGA 和 Virtex-5 FXT FPGA 客户的需求。 问：赛灵思是否会继续支持 MicroBlazeTM 软核处理器？ 答：会的，MicroBlaze 处理器将继续作为赛灵思嵌入式产品系列的重要成员。MicroBlaze 处理器专门针对赛灵思 FPGA 结构进行了高度优化，将继续被移植到宽泛的FPGA产品器件并得到增强。MicroBlaze 处理器采用 AMBA®-AXI 接口，并随赛灵思 ISE 设计套件 12.3 版本一同推出。 在线座谈（Online Seminar）是中电网于2000年推出的创新服务，通过“视频演示＋专家解说＋在线问答”三位一体相结合的形式，充分发挥网络平台的便捷性，实现了先进半导体技术提供商与系统设计工程师的实时互动交流，其形式和内容都广受电子行业工程师的好评。本刊每期将挑选一些精华内容整理成文，以飨读者。