Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC多核異構(gòu)架構(gòu)設(shè)計詳解

隨著人們對計算性能需求的增加以及數(shù)據(jù)量的顯著提升，嵌入式領(lǐng)域傳統(tǒng)的微處理器和外設(shè)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計顯得越來越微不足道，除此之外很多應(yīng)用還要求系統(tǒng)在滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時還需要具有可靠性和安全性。目前在單一的處理器上同時滿足處理高帶寬數(shù)據(jù)、執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用程序、響應(yīng)實時任務(wù)請求并滿足行業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)似乎很難，因此多核異構(gòu)處理器架構(gòu)應(yīng)運而生。一個多核異構(gòu)處理系統(tǒng)一般由不同類型的多個單核心或多核心處理器組成，最簡單的形式是由一個多核處理器和GPU組成。

圖1：異構(gòu)多核處理器的時代已經(jīng)到來

作為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者Xilinx正在從產(chǎn)品、工具和理念上來推動從傳統(tǒng)可編程邏輯器件向“All Programmable（全可編程）”的轉(zhuǎn)變。Zynq UltraScale+ MPSoC是Xilinx推出的第二代多處理器SoC器件，采用了16nm FinFET+工藝技術(shù)，共分為CG、EG和EV三個系列，都集成了多核應(yīng)用處理器（四核ARM Cortex-A53應(yīng)用處理器）、多核圖形處理器（雙核ARM Mali-400圖形處理器）、多核實時處理器（雙核ARM Cortex-R5實時處理器）、平臺管理單元（電源管理、錯誤管理、配置管理以及安全管理）和可編程邏輯資源（高性能計算和豐富I/O擴展等）。與上一代ZYNQ-7000系列相比，其在加密、安全、電源管理和性能方面都得到了顯著的增強。

圖2：傳統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計向現(xiàn)代一體式整合方式的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計一般都會采用一個或者多個微處理器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、人機界面、系統(tǒng)控制等功能，這種方式明顯使得系統(tǒng)變得復(fù)雜，需要設(shè)計生產(chǎn)多塊PCB板卡，增加系統(tǒng)成本。采用異構(gòu)多核處理器所有功能都可以用一個處理器來實現(xiàn)，降低了系統(tǒng)PCB設(shè)計成本和系統(tǒng)復(fù)雜度，但是這對工程師則提出了更高的要求。

對于Zynq UltraScale+ MPSoC的開發(fā)，Xilinx為工程師提供了豐富的軟硬件設(shè)計工具和參考設(shè)計產(chǎn)品組合，Vivado設(shè)計工具與NI matlab工具相結(jié)合實現(xiàn)IP的抽象設(shè)計與自動化，能夠大幅度簡化編程并提高生產(chǎn)，借助SDSoC工具也可以實現(xiàn)整個嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，同時讓不會Verilog/VHDL語言的軟件工程師使用邏輯資源為ARM程序加速。