ZYNQ嵌入式處理器FPGA單芯片方案的特點(diǎn)及應(yīng)用

盡管ARM9和ARM7是ARM全世界授權(quán)量最多的(圖4) ，也是出貨量最大的;但是Cortex-A系列是所有系列里面增長(zhǎng)速度最快的，甚至超過(guò)M系列。

除了Xilinx的Zynq家族外，很多公司已經(jīng)或正在做基于Cortex-A9的創(chuàng)新，智能手機(jī)、平板電腦、3D TV;網(wǎng)絡(luò)SoC(系統(tǒng)芯片)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)……。

這些企業(yè)之所以選擇A9，因?yàn)樗茿RM處理器系列中較高性能的一款產(chǎn)品，采用了ARMv7架構(gòu)。A9處理器的設(shè)計(jì)是基于先進(jìn)的推測(cè)型八級(jí)流水線(speculating 8-stage pipeline)，該流水線具有高效、動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度、多發(fā)射超標(biāo)量及無(wú)序完成特征，因此這款處理器的性能、功效和功能均達(dá)到了高水平，能夠滿足消費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)和移動(dòng)應(yīng)用等領(lǐng)域尖端產(chǎn)品的要求。

處理器FPGA整合：11>2

市場(chǎng)調(diào)查表明，FPGA目前在全部嵌入式系統(tǒng)中的使用比例占50%~70%『4』。因此這個(gè)市場(chǎng)非常巨大，而通常的工程方案是“嵌入式處理器FPGA”。“但是我們的客戶并不滿足于此，或者說(shuō)在客戶的應(yīng)用里目前的器件都不能滿足他們的需求，無(wú)論是傳統(tǒng)的單個(gè)處理器、單個(gè)FPGA、ASIC或者是ASSP，特別是對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)公司來(lái)說(shuō)，對(duì)FPGA編程相當(dāng)困難。我們發(fā)現(xiàn)到2014年有約127億美元的市場(chǎng)是傳統(tǒng)FPGA沒(méi)法服務(wù)的。”Xilinx全球市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)高級(jí)副總裁Vin Ratford說(shuō)道。

當(dāng)前的四大挑戰(zhàn)是：提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)功耗，減少電路板的面積，降低總體系統(tǒng)的成本。

而一塊Zynq器件就可以實(shí)現(xiàn)“嵌入式處理器+FPGA”功能。尤其Zynq不是僅僅把 FPGA 跟處理器簡(jiǎn)單地集成在一起，更是兩者的有機(jī)結(jié)合。如圖5，傳統(tǒng)的FPGA與處理器之間的互聯(lián)是PCIe等，而Zynq采用了AXI4連接總線，這樣的布局可以在FPGA 與處理器之間形成很寬的帶寬。圖5上方是雙芯片方案。可以看到FPGA與處理器中間互聯(lián)利用 PCIe的互聯(lián)帶寬較窄，而且PCIe通道也較少，這意味著有時(shí)超過(guò)一半的FPGA會(huì)用來(lái)支持帶寬;并且兩個(gè)器件分別接著外帶的存儲(chǔ)器。圖5下方可以看到使用Zynq后，可以把中間的PCIe連接取走，再加上存儲(chǔ)器可以和FPGA 分享，這樣可以大大降低成本和功耗。　　

ARM中國(guó)總裁吳雄昂指出：“眾所周知，新一代的系統(tǒng)處理，不只是CPU的功能，接口的處理能力在很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用能力。所以我們往往看到同樣一個(gè)設(shè)計(jì)，因?yàn)榱己玫慕涌诘娜诤希δ軙?huì)相差50%。我們很高興Xilinx的Zynq在新的AMBA AXI4 (Advanced eXtensible Interface 4) 接口上達(dá)到了很高的數(shù)據(jù)吞吐能力。”

Zynq以ARM為核心　　

Zynq盡管是由FPGA廠商—Xilinx主導(dǎo)的，但Xilinx稱其是全新的EPP(可擴(kuò)展處理平臺(tái))，應(yīng)用時(shí)，Zynq上電后處理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，而不會(huì)是FPGA先啟動(dòng)。

實(shí)際上，Zynq-7000系列具有完整的ARM處理系統(tǒng)(圖6)，是以ARM Cortex-A9 MPCore為中心，還集成了存儲(chǔ)器控制器和外設(shè);另外，緊密集成可編程邏輯方面，圖6的黃色部分是FPGA，它們之間約有3000個(gè)內(nèi)部互連，內(nèi)部互連十倍于現(xiàn)有的雙芯片方案;除此之外，有靈活的I/O陣列，包括處理器專用I/O，可以支持多重標(biāo)準(zhǔn)的I/O，還集成了高性能串行收發(fā)器，雙12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入部分，輸入可以直接接到器件混模的架構(gòu)里。