Xilinx ZYNQ 7000系列SoC的功能特性

引言：本文介紹下Xilinx ZYNQ 7000系列SoC的功能特性、資源特性、封裝兼容性以及如何訂購(gòu)器件。

1. 概述

Zynq-7000系列基于Xilinx全可編程（AP）SoC架構(gòu)。這些產(chǎn)品在單個(gè)設(shè)備中集成了功能豐富的雙核或單核ARMCortex-A9處理系統(tǒng)（PS）和28nm Xilinx可編程邏輯（PL）。ARM Cortex-A9 CPU是PS的核心，還包括片上存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器接口和一組豐富的外圍連接接口。典型的Zynq-7000 AP SoC 芯片上用戶可見(jiàn)的接口和信號(hào)如圖1所示。

圖 1: Zynq-7000 AP SoC 的接口、信號(hào)和引腳

2. 資源概述

表1顯示了Zynq-7000系列SoC主要資源特性。

表1：Zynq-7000系列SoC主要資源特性

表2：器件組合封裝：最大I/O、GTP和GTX收發(fā)器

注意：

1.列出的所有封裝均為無(wú)鉛包裝(SBG485，豁免15)。有些封裝提供Pb選項(xiàng)。

2.CLG485封裝中的Z-7012S和Z-7015器件以及SBG485封裝的Z-7030器件是引腳對(duì)引腳兼容的。

3.PS I/O計(jì)數(shù)不包括專用DDR校準(zhǔn)引腳。

4.HR=高范圍I/O，支持1.2V到3.3V的I/O電壓。

5.HP=高性能I/O，支持1.2V到1.8V的I/O電壓。

表3：器件組合封裝：最大I/O、GTP和GTX收發(fā)器（續(xù)）

表2中綠色虛線表明同一邏輯資源的器件，可以具有不同IO數(shù)量，紅色虛線表明同一封裝可以選擇不同的邏輯資源，這樣極大的增強(qiáng)了器件選擇的靈活性。

通常滿足初始設(shè)計(jì)要求的情況下，器件選型盡量選擇封裝兼容多的器件，硬件設(shè)計(jì)盡量兼容不同資源，可使后續(xù)產(chǎn)品增加功能可以直接原位替代資源少的器件即可。

3. Zynq-7000系列器件家族描述

Zynq-7000系列提供了FPGA的靈活性和可擴(kuò)展性，同時(shí)提供了通常與ASIC和ASSP相關(guān)的性能、功耗和易用性。Zynq-7000系列中的一系列器件使設(shè)計(jì)師能夠使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具從單個(gè)平臺(tái)瞄準(zhǔn)成本敏感和高性能的應(yīng)用程序。

雖然Zynq-7000系列中的每個(gè)設(shè)備都包含相同的PS，但設(shè)備之間的PL和I/O資源各不相同。因此，Zynq-7000和Zynq-7000SOC能夠服務(wù)于廣泛的應(yīng)用如圖2所示，如汽車駕駛員輔助、駕駛員信息、工業(yè)電機(jī)控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器視覺(jué)、IP和智能攝像頭、LTE無(wú)線電和基帶、醫(yī)學(xué)診斷和成像等。

圖 2: Zynq-7000系列器件典型應(yīng)用領(lǐng)域

Zynq-7000體系結(jié)構(gòu)允許在PL中實(shí)現(xiàn)自定義邏輯，在PS中實(shí)現(xiàn)自定義軟件。它允許實(shí)現(xiàn)獨(dú)特和差異化的系統(tǒng)功能。PS與PL的集成允許兩個(gè)芯片解決方案（例如，帶FPGA的ASSP）由于其有限的I/O帶寬、延遲和功率預(yù)算而無(wú)法匹配的性能水平。圖3展示了Zynq-7000 SoC總架構(gòu)。

圖3：Zynq-7000 SoC總架構(gòu)

圖4展示了Zynq-7000 SoC內(nèi)部詳細(xì)體系結(jié)構(gòu)。

圖4：Zynq-7000 SoC內(nèi)部詳細(xì)體系結(jié)構(gòu)

賽靈思為Zynq-7000家族提供了大量的軟IP。獨(dú)立和Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可用于PS和PL中的外圍設(shè)備。VivadoDesign Suite開(kāi)發(fā)環(huán)境使軟件、硬件和系統(tǒng)工程師能夠快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。采用基于ARM的PS還帶來(lái)了廣泛的第三方工具和IP提供商，并與Xilinx現(xiàn)有的PL生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，如圖5所示。

圖 5：Zynq 生態(tài)系統(tǒng)

應(yīng)用程序處理器的包含實(shí)現(xiàn)了對(duì)高級(jí)操作系統(tǒng)的支持，例如Linux。與Cortex-A9處理器一起使用的其他標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)也可用于Zynq-7000系列。

PS和PL位于獨(dú)立的電源域上，使這些設(shè)備的用戶能夠在需要時(shí)關(guān)閉PL進(jìn)行電源管理。PS中的處理器總是首先啟動(dòng)，從而允許PL配置采用以軟件為中心的方法。PL配置由CPU上運(yùn)行的軟件管理，因此它的引導(dǎo)類似于ASSP。

3.1 處理系統(tǒng)（PS）

如圖4所示，PS包括四個(gè)主要塊：

（1）應(yīng)用處理器單元（APU）

圖 6: 應(yīng)用處理器單元的框圖 （簡(jiǎn)化版）

（2）存儲(chǔ)器接口

圖3：PL接口到PS內(nèi)存子系統(tǒng)框圖

（3）互連

圖 8：連接 PS 和 PL 的 AXI 互聯(lián)和接口的構(gòu)架

（4）I/O外圍設(shè)備（IOP）

圖9：MIO模塊框圖

圖9中，EMIO與PL邏輯資源直接互聯(lián)，并不直接連接外部IO管腳，通過(guò)EMIO可實(shí)現(xiàn)PS到PL IO擴(kuò)展功能，EMIO接口擴(kuò)展的IO需要進(jìn)行物理管腳約束，而MIO不需要用戶約束。

3.2 邏輯資源（PL）

PL的主要功能包括：CLB邏輯塊、36Kb塊RAM、DSP切片、可編程I/O塊、低功率串行收發(fā)器（某些器件不包含）、PCI Express硬核、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（XADC）和PL配置模塊，如圖10所示。

圖10：PL內(nèi)部邏輯架構(gòu)

3.3 系統(tǒng)級(jí)功能

系統(tǒng)級(jí)功能能橫跨PS和PL，包括：重置管理、時(shí)鐘管理、設(shè)備配置、硬件和軟件調(diào)試支持、電源管理、重置管理。

3.4 內(nèi)存映射

Zynq-7000系列中的設(shè)備支持4GB地址空間，如表4所示。

表4：內(nèi)存映射

4. 訂購(gòu)信息

表5顯示了不同設(shè)備中可用的速度和溫度等級(jí)。某些設(shè)備可能不適用于所有速度和溫度等級(jí)。

表5：速度等級(jí)和溫度范圍

如圖11所示，訂購(gòu)信息適用于包括無(wú)鉛在內(nèi)的所有封裝。

圖11：訂購(gòu)信息示例

1） 僅Z-7007S、Z-7012S和Z-7014S器件包含S；

2） -L1是低功率、-1L速度等級(jí)的訂購(gòu)代碼；

3） -L2是低功率、-2L速度等級(jí)的訂購(gòu)代碼；

4） CL為封裝類型；

5） G：是否含鉛選擇；

6）484：封裝管腳數(shù)；

7） C：溫度等級(jí)：C：商業(yè)級(jí)，0~+85℃，I：工業(yè)級(jí)，-40℃~+85℃，

E：擴(kuò)展等級(jí)，0℃~100℃。