Zynq-7000 可擴(kuò)展處理平臺新聞背景
[導(dǎo)讀]關(guān)鍵字： 可擴(kuò)展處理平臺 FPGA ZYNQ Cortex-A9 關(guān)于最新可擴(kuò)展處理平臺您首先想問的或
關(guān)鍵字： 可擴(kuò)展處理平臺 FPGA ZYNQ Cortex-A9 關(guān)于最新可擴(kuò)展處理平臺您首先想問的或許就是‘Zynq’這個名稱究竟是什么意思。這個詞很容易讓人聯(lián)想到 zinc，也就是電池、日光屏、合金制品和藥品中最常見的化學(xué)元素鋅。鋅與其他金屬的合金可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型功能，根據(jù)合金的不同對象表現(xiàn)為不同的色彩。鋅最常見的用途就是電鍍。
那么這個名稱與電鍍之間有什么聯(lián)系？
在 2010 年 4 月硅谷舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，賽靈思發(fā)布了可擴(kuò)展處理平臺的架構(gòu)詳情，這款基于無處不在的ARM處理器的 SoC可滿足復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的高性能、低功耗和多核處理能力要求。賽靈思可擴(kuò)展處理平臺芯片硬件的核心本質(zhì)就是將通用基礎(chǔ)雙 ARM Cortex-A9 MPCore 處理器系統(tǒng)作為“主系統(tǒng)”，結(jié)合低功耗 28nm工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高度的靈活性、強(qiáng)大的配置功能和高性能。由于該新型器件的可編程邏輯部分基于賽靈思 28nm 7 系列 FPGA，因此該系列產(chǎn)品的名稱中添加了“7000”，以保持與7系列 FPGA 的一致性，同時也方便日后本系列新產(chǎn)品的命名。
除了芯片外，賽靈思 Zynq-7000 系列還構(gòu)成了最終平臺產(chǎn)品的基礎(chǔ)。賽靈思聯(lián)盟計(jì)劃生態(tài)系統(tǒng)和 ARM互聯(lián)社區(qū)的成員提供的軟件開發(fā)與硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、廣泛采用的操作系統(tǒng)、調(diào)試器、IP及其他元素的工具就好像“電鍍”在一起一樣，從而使可擴(kuò)展處理平臺成為了可能。
以處理器為中心的開發(fā)流程
Zynq-7000 可擴(kuò)展處理平臺采用熟悉的工具流程，使嵌入式軟/硬件工程師能以類似于賽靈思 ISE® 設(shè)計(jì)套件和第三方工具提供的嵌入式設(shè)計(jì)方法，執(zhí)行各自的開發(fā)、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)工作。
軟件應(yīng)用工程師可使用與此前設(shè)計(jì)相同的 ARM 開發(fā)工具。賽靈思為嵌入式軟件應(yīng)用項(xiàng)目提供了軟件開發(fā)套件(SDK)，一種基于 Eclipse 的工具套件。ARM Development Studio 5 (DS-5) 和ARM RealView 開發(fā)套件 (RVDS)等其他第三方開發(fā)環(huán)境也可使用。處理子系統(tǒng)可獨(dú)立于可編程邏輯結(jié)構(gòu)加電啟動。
應(yīng)用軟件工程師可從一系列預(yù)配置處理器系統(tǒng)啟動代碼中進(jìn)行選擇，滿足單處理器、非對稱多處理器 (AMP) 或?qū)ΨQ多處理器 (SMP) CPU 拓?fù)湟?。這種預(yù)配置的啟動代碼作為實(shí)例啟動代碼，可就選定的拓?fù)洳捎眠m當(dāng)?shù)耐庠O(shè)、驅(qū)動程序和API，滿足特定評估板的要求。這就讓軟件工程師無需依靠任何硬件或固件工程師就能啟動設(shè)計(jì)工作。
為了讓軟件應(yīng)用跟上硬件設(shè)計(jì)的步伐，固件工程師可采用ISE 設(shè)計(jì)套件嵌入式版本的新功能：處理器配置工具 (PCT)。PCT 能以圖形化形式幫助您配置處理子系統(tǒng)中的系統(tǒng)級寄存器和外設(shè)寄存器。配置后，配合啟動代碼使用的 PCT 輸出配置文件可創(chuàng)建定制啟動環(huán)境。隨后即可用 SDK 編譯和調(diào)試開發(fā)板支持包。
硬件設(shè)計(jì)流程類似于 ISE 設(shè)計(jì)套件中的嵌入式處理器設(shè)計(jì)流程，不過可擴(kuò)展處理平臺新增了一些步驟。處理子系統(tǒng)是一個帶有眾多通用外設(shè)的完整雙處理器系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)人員可在可編程邏輯中為處理子系統(tǒng)添加更多外設(shè)，從而提高處理能力。硬件開發(fā)工具 Xilinx Platform Studio 實(shí)現(xiàn)了大部分一般硬件開發(fā)步驟的自動化。PCT 還能用于幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化器件管腳。
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1 個處理系統(tǒng)，4 款器件
Zynq-7000系列中的 4 款產(chǎn)品具有完全相同的 ARM 處理系統(tǒng)，但是可編程邏輯資源的可擴(kuò)展性有所不同， 因而適用于不同的應(yīng)用。
Cortex-A9 多處理器內(nèi)核(MPCore) 由2 個 CPU 組成。每個 CPU 都是一個 Cortex A9 處理器，帶有專門的 NEON 協(xié)處理器（媒體和信號處理架構(gòu)，增加了面向音頻、視頻、3D 圖形、影像和語言處理的指令）和雙精度浮點(diǎn)單元。Cortex-A9 處理器是一款帶有 L1 高速緩存子系統(tǒng)的高性能低功耗 ARM 宏單元，提供了全面的虛擬存儲器功能。該處理器采用 ARMv7架構(gòu)，運(yùn)行 32 位 ARM 指令、16 位和 32 位 Thumb 指令以及 Jazelle 狀態(tài) 8位 Java字節(jié)碼。此外，處理系統(tǒng)包括Snoop Control Unit、L2 緩存控制器、片上 SRAM、定時器/計(jì)數(shù)器、DMA、系統(tǒng)控制寄存器、器件配置和 ARM CoreSightTM 系統(tǒng)。就調(diào)試而言，其包含了嵌入式跟蹤緩沖器 (ETB)、指令跟蹤宏單元 (ITM) 和 ARM 提供的Cross Trigger module (CTI)。除了上述之外，它還包含了賽靈思提供的AXI Monitor (AXIM) 和 Fabric Trace (FTM) 模塊。
Zynq-7030 和 Zynq-7040 這兩個較大的器件均具備高速低功耗的串行連接功能，其內(nèi)置的千兆位級收發(fā)器運(yùn)行速度高達(dá) 10.3125 Gbps。這兩款產(chǎn)品分別提供相當(dāng)約 190 萬和 350 萬個 ASIC 門（即 125,000和 235,000 個邏輯單元），DSP 峰值性能分別達(dá) 480 GMAC 和 912 GMAC。Zynq-7010 和 Zynq-7020 這兩款較小的器件分別提供約 43 萬和 130 萬個 ASIC 門（即 30,000和85,000 個邏輯單元），DSP 峰值性能分別為 58 GMAC 和 158 GMAC。
每款器件包含一個通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (XADC) 接口，而該接口又包含 2 個 12 位 1 Msps ADC以及多個片上[!--empirenews.page--]傳感器和外部模擬輸入通道。XADC比前代 Virtex FPGA 的系統(tǒng)監(jiān)控器具有增強(qiáng)型功能。兩個 12 位 ADC 支持的采樣率高達(dá)每秒 100 萬次，而且能對多達(dá) 17 個外部輸入模擬通道進(jìn)行采樣。ADC 支持豐富的應(yīng)用，能滿足這些應(yīng)用在帶寬不到500 KHz條件下處理模擬信號的要求。
可編程邏輯可由用戶配置，并通過“互連”模塊連接在一起，從而可提供用戶定義的任意功能，以擴(kuò)展處理器系統(tǒng)的性能和功能。一系列互連模塊相互配合，可根據(jù)應(yīng)用需求在邏輯模塊間路由信號。賽靈思可編程邏輯軟件工具可將 RTL 應(yīng)用編譯到位文件中，然后將該文件載入可編程邏輯中用以配置可編程邏輯的功能。應(yīng)用可以載入單個靜態(tài)可編程邏輯配置也可以根據(jù)應(yīng)用需要動態(tài)選擇配置。我們也可以通過部分重配置功能對可編程邏輯的選定區(qū)域進(jìn)行配置。
器件兩個區(qū)域的互連操作對用戶而言大部分都是透明的。主/從設(shè)備之間的存取根據(jù)地址范圍通過 AXI 互連機(jī)制路由，也就是說，每個從設(shè)備要分配一個地址范圍。多個主設(shè)備可同時訪問多個從設(shè)備，每個 AXI 互連機(jī)制采用兩級仲裁方案來解決沖突。
處理系統(tǒng)與可編程邏輯緊密集成，內(nèi)部互連達(dá) 3000 多個，帶寬相當(dāng)于約100Gb，為系統(tǒng)架構(gòu)師提供了一款具有高帶寬和低延遲接口的處理平臺，從而為高強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)用帶來了前所未有的軟硬件分區(qū)優(yōu)化。舉例來說，工業(yè)市場需要小型化靈活分區(qū)、高性能低成本生態(tài)系統(tǒng)支持來實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的成功開發(fā)與實(shí)施?；陔p Cortex-A9 MPCore 的處理系統(tǒng)配合可編程邏輯的并行處理能力為目前的工廠自動化和視覺系統(tǒng)帶來了確定性性能所必需的計(jì)算能力。在汽車市場領(lǐng)域，防撞系統(tǒng)的圖形處理和識別技術(shù)需要能在確保低系統(tǒng)功耗與成本、高集成度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大幅 DSP 加速的單芯片平臺?；陔p Cortex-A9 MPCore 的處理系統(tǒng)配合可編程邏輯的強(qiáng)大并行處理能力可為圖形處理和高級分析功能提供其所需的計(jì)算能力，從而滿足汽車及其他市場對智能系統(tǒng)的需求。
總結(jié)
ARM 雙核 Cortex-A9 MPCore 處理器和賽靈思 28nm 可編程邏輯的緊密集成，為高端嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的串行和并行處理能力。利用軟/硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)流程，嵌入式設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能在他們熟悉的設(shè)計(jì)環(huán)境中開展工作，從而實(shí)現(xiàn)工作效率的最大化。不過，Zynq-7000 可擴(kuò)展處理平臺系列的最大優(yōu)勢還在于客戶能以較低的總擁有成本構(gòu)建定制解決方案，滿足其獨(dú)特的需求并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。
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那么這個名稱與電鍍之間有什么聯(lián)系？
在 2010 年 4 月硅谷舉行的嵌入式系統(tǒng)大會上，賽靈思發(fā)布了可擴(kuò)展處理平臺的架構(gòu)詳情，這款基于無處不在的ARM處理器的 SoC可滿足復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的高性能、低功耗和多核處理能力要求。賽靈思可擴(kuò)展處理平臺芯片硬件的核心本質(zhì)就是將通用基礎(chǔ)雙 ARM Cortex-A9 MPCore 處理器系統(tǒng)作為“主系統(tǒng)”，結(jié)合低功耗 28nm工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高度的靈活性、強(qiáng)大的配置功能和高性能。由于該新型器件的可編程邏輯部分基于賽靈思 28nm 7 系列 FPGA，因此該系列產(chǎn)品的名稱中添加了“7000”，以保持與7系列 FPGA 的一致性，同時也方便日后本系列新產(chǎn)品的命名。
除了芯片外，賽靈思 Zynq-7000 系列還構(gòu)成了最終平臺產(chǎn)品的基礎(chǔ)。賽靈思聯(lián)盟計(jì)劃生態(tài)系統(tǒng)和 ARM互聯(lián)社區(qū)的成員提供的軟件開發(fā)與硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工具、廣泛采用的操作系統(tǒng)、調(diào)試器、IP及其他元素的工具就好像“電鍍”在一起一樣，從而使可擴(kuò)展處理平臺成為了可能。
以處理器為中心的開發(fā)流程
Zynq-7000 可擴(kuò)展處理平臺采用熟悉的工具流程，使嵌入式軟/硬件工程師能以類似于賽靈思 ISE® 設(shè)計(jì)套件和第三方工具提供的嵌入式設(shè)計(jì)方法，執(zhí)行各自的開發(fā)、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)工作。
軟件應(yīng)用工程師可使用與此前設(shè)計(jì)相同的 ARM 開發(fā)工具。賽靈思為嵌入式軟件應(yīng)用項(xiàng)目提供了軟件開發(fā)套件(SDK)，一種基于 Eclipse 的工具套件。ARM Development Studio 5 (DS-5) 和ARM RealView 開發(fā)套件 (RVDS)等其他第三方開發(fā)環(huán)境也可使用。處理子系統(tǒng)可獨(dú)立于可編程邏輯結(jié)構(gòu)加電啟動。
應(yīng)用軟件工程師可從一系列預(yù)配置處理器系統(tǒng)啟動代碼中進(jìn)行選擇，滿足單處理器、非對稱多處理器 (AMP) 或?qū)ΨQ多處理器 (SMP) CPU 拓?fù)湟?。這種預(yù)配置的啟動代碼作為實(shí)例啟動代碼，可就選定的拓?fù)洳捎眠m當(dāng)?shù)耐庠O(shè)、驅(qū)動程序和API，滿足特定評估板的要求。這就讓軟件工程師無需依靠任何硬件或固件工程師就能啟動設(shè)計(jì)工作。
為了讓軟件應(yīng)用跟上硬件設(shè)計(jì)的步伐，固件工程師可采用ISE 設(shè)計(jì)套件嵌入式版本的新功能：處理器配置工具 (PCT)。PCT 能以圖形化形式幫助您配置處理子系統(tǒng)中的系統(tǒng)級寄存器和外設(shè)寄存器。配置后，配合啟動代碼使用的 PCT 輸出配置文件可創(chuàng)建定制啟動環(huán)境。隨后即可用 SDK 編譯和調(diào)試開發(fā)板支持包。
硬件設(shè)計(jì)流程類似于 ISE 設(shè)計(jì)套件中的嵌入式處理器設(shè)計(jì)流程，不過可擴(kuò)展處理平臺新增了一些步驟。處理子系統(tǒng)是一個帶有眾多通用外設(shè)的完整雙處理器系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)人員可在可編程邏輯中為處理子系統(tǒng)添加更多外設(shè)，從而提高處理能力。硬件開發(fā)工具 Xilinx Platform Studio 實(shí)現(xiàn)了大部分一般硬件開發(fā)步驟的自動化。PCT 還能用于幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化器件管腳。
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1 個處理系統(tǒng)，4 款器件
Zynq-7000系列中的 4 款產(chǎn)品具有完全相同的 ARM 處理系統(tǒng)，但是可編程邏輯資源的可擴(kuò)展性有所不同， 因而適用于不同的應(yīng)用。
Cortex-A9 多處理器內(nèi)核(MPCore) 由2 個 CPU 組成。每個 CPU 都是一個 Cortex A9 處理器，帶有專門的 NEON 協(xié)處理器（媒體和信號處理架構(gòu)，增加了面向音頻、視頻、3D 圖形、影像和語言處理的指令）和雙精度浮點(diǎn)單元。Cortex-A9 處理器是一款帶有 L1 高速緩存子系統(tǒng)的高性能低功耗 ARM 宏單元，提供了全面的虛擬存儲器功能。該處理器采用 ARMv7架構(gòu)，運(yùn)行 32 位 ARM 指令、16 位和 32 位 Thumb 指令以及 Jazelle 狀態(tài) 8位 Java字節(jié)碼。此外，處理系統(tǒng)包括Snoop Control Unit、L2 緩存控制器、片上 SRAM、定時器/計(jì)數(shù)器、DMA、系統(tǒng)控制寄存器、器件配置和 ARM CoreSightTM 系統(tǒng)。就調(diào)試而言，其包含了嵌入式跟蹤緩沖器 (ETB)、指令跟蹤宏單元 (ITM) 和 ARM 提供的Cross Trigger module (CTI)。除了上述之外，它還包含了賽靈思提供的AXI Monitor (AXIM) 和 Fabric Trace (FTM) 模塊。
Zynq-7030 和 Zynq-7040 這兩個較大的器件均具備高速低功耗的串行連接功能，其內(nèi)置的千兆位級收發(fā)器運(yùn)行速度高達(dá) 10.3125 Gbps。這兩款產(chǎn)品分別提供相當(dāng)約 190 萬和 350 萬個 ASIC 門（即 125,000和 235,000 個邏輯單元），DSP 峰值性能分別達(dá) 480 GMAC 和 912 GMAC。Zynq-7010 和 Zynq-7020 這兩款較小的器件分別提供約 43 萬和 130 萬個 ASIC 門（即 30,000和85,000 個邏輯單元），DSP 峰值性能分別為 58 GMAC 和 158 GMAC。
每款器件包含一個通用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (XADC) 接口，而該接口又包含 2 個 12 位 1 Msps ADC以及多個片上[!--empirenews.page--]傳感器和外部模擬輸入通道。XADC比前代 Virtex FPGA 的系統(tǒng)監(jiān)控器具有增強(qiáng)型功能。兩個 12 位 ADC 支持的采樣率高達(dá)每秒 100 萬次，而且能對多達(dá) 17 個外部輸入模擬通道進(jìn)行采樣。ADC 支持豐富的應(yīng)用，能滿足這些應(yīng)用在帶寬不到500 KHz條件下處理模擬信號的要求。
可編程邏輯可由用戶配置，并通過“互連”模塊連接在一起，從而可提供用戶定義的任意功能，以擴(kuò)展處理器系統(tǒng)的性能和功能。一系列互連模塊相互配合，可根據(jù)應(yīng)用需求在邏輯模塊間路由信號。賽靈思可編程邏輯軟件工具可將 RTL 應(yīng)用編譯到位文件中，然后將該文件載入可編程邏輯中用以配置可編程邏輯的功能。應(yīng)用可以載入單個靜態(tài)可編程邏輯配置也可以根據(jù)應(yīng)用需要動態(tài)選擇配置。我們也可以通過部分重配置功能對可編程邏輯的選定區(qū)域進(jìn)行配置。
器件兩個區(qū)域的互連操作對用戶而言大部分都是透明的。主/從設(shè)備之間的存取根據(jù)地址范圍通過 AXI 互連機(jī)制路由，也就是說，每個從設(shè)備要分配一個地址范圍。多個主設(shè)備可同時訪問多個從設(shè)備，每個 AXI 互連機(jī)制采用兩級仲裁方案來解決沖突。
處理系統(tǒng)與可編程邏輯緊密集成，內(nèi)部互連達(dá) 3000 多個，帶寬相當(dāng)于約100Gb，為系統(tǒng)架構(gòu)師提供了一款具有高帶寬和低延遲接口的處理平臺，從而為高強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)用帶來了前所未有的軟硬件分區(qū)優(yōu)化。舉例來說，工業(yè)市場需要小型化靈活分區(qū)、高性能低成本生態(tài)系統(tǒng)支持來實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)的成功開發(fā)與實(shí)施?；陔p Cortex-A9 MPCore 的處理系統(tǒng)配合可編程邏輯的并行處理能力為目前的工廠自動化和視覺系統(tǒng)帶來了確定性性能所必需的計(jì)算能力。在汽車市場領(lǐng)域，防撞系統(tǒng)的圖形處理和識別技術(shù)需要能在確保低系統(tǒng)功耗與成本、高集成度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大幅 DSP 加速的單芯片平臺?；陔p Cortex-A9 MPCore 的處理系統(tǒng)配合可編程邏輯的強(qiáng)大并行處理能力可為圖形處理和高級分析功能提供其所需的計(jì)算能力，從而滿足汽車及其他市場對智能系統(tǒng)的需求。
總結(jié)
ARM 雙核 Cortex-A9 MPCore 處理器和賽靈思 28nm 可編程邏輯的緊密集成，為高端嵌入式系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的串行和并行處理能力。利用軟/硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)流程，嵌入式設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能在他們熟悉的設(shè)計(jì)環(huán)境中開展工作，從而實(shí)現(xiàn)工作效率的最大化。不過，Zynq-7000 可擴(kuò)展處理平臺系列的最大優(yōu)勢還在于客戶能以較低的總擁有成本構(gòu)建定制解決方案，滿足其獨(dú)特的需求并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。
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