HZ-CORE-RK3588J_K7 FPGA技術(shù)架構(gòu)及應(yīng)用分析

HZ-CORE-RK3588J_K7是合眾恒躍推出的一款ARM+FPGA異構(gòu)融合的工業(yè)級核心板，集成了瑞芯微RK3588J處理器和Xilinx Kintex-7 FPGA，旨在滿足工業(yè)控制、人工智能等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芎透呖煽繑?shù)據(jù)處理的需求。這款核心板將ARM處理器的強(qiáng)大通用計(jì)算能力與FPGA的高度并行可編程能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低延遲、高帶寬的高速數(shù)據(jù)處理。

在本文中，我們將深入分析HZ-CORE-RK3588J_K7所采用的FPGA技術(shù)架構(gòu)及其在高性能數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用。

01

高速數(shù)據(jù)處理能力

FPGA最大的優(yōu)勢在于高度并行計(jì)算能力。與CPU的順序計(jì)算不同，FPGA內(nèi)部擁有大量邏輯單元和DSP單元，能同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算任務(wù)，如FFT、數(shù)字濾波、矩陣運(yùn)算等算法，顯著提升數(shù)據(jù)處理效率。此外，HZ-CORE-RK3588J_K7集成的Kintex-7 GTX高速收發(fā)器，能夠?qū)崿F(xiàn)FPGA與外設(shè)之間直接的高速數(shù)據(jù)交換，例如PCIe接口、多路10G以太網(wǎng)以及高速ADC接口，減少數(shù)據(jù)拷貝和中間緩沖環(huán)節(jié)，有效降低延遲并提高數(shù)據(jù)吞吐率。

值得一提的是，在高速串行鏈路中，為了確保信號完整性和可靠傳輸，GTX收發(fā)器還提供了一系列可調(diào)節(jié)參數(shù)和功能，例如預(yù)加重、均衡、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）等。工程師可以根據(jù)高速信號的傳輸距離和介質(zhì)，優(yōu)化GTX收發(fā)器的設(shè)置以降低誤碼率。在高速通信應(yīng)用中，充分發(fā)揮FPGA GTX收發(fā)器的性能并進(jìn)行合理的協(xié)議定制，可以實(shí)現(xiàn)低延遲、高可靠的數(shù)據(jù)鏈路，這是軟件實(shí)現(xiàn)難以企及的。總體而言，F(xiàn)PGA的高度并行計(jì)算加上GTX高速通信，使其在需要海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的場景中表現(xiàn)卓越。

02

PCIe 3.0數(shù)據(jù)加速機(jī)制

在HZ-CORE-RK3588J_K7架構(gòu)中，F(xiàn)PGA與ARM處理器之間通過PCI Express高速總線相連。PCIe 3.0提供每通道8 GT/s的速率，可實(shí)現(xiàn)GB/s級別的數(shù)據(jù)吞吐。FPGA利用PCIe 3.0接口作為與處理器交換數(shù)據(jù)的橋梁，構(gòu)建起低延遲的高速數(shù)據(jù)通道。Kintex-7 FPGA內(nèi)部集成了PCIe硬核模塊，支持實(shí)現(xiàn)PCIe Gen3 x4甚至x8的端點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過PCIe接口，F(xiàn)PGA可以被映射為處理器系統(tǒng)中的一款高速外設(shè)，支持DMA（直接內(nèi)存訪問）等機(jī)制高效地與系統(tǒng)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)。

為了充分發(fā)揮PCIe 3.0的數(shù)據(jù)加速作用，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注以下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：

增大數(shù)據(jù)吞吐粒度

盡量使用較大的PCIe傳輸payload和批量DMA傳輸，以減少總線握手開銷。例如，將數(shù)據(jù)打包成幾百KB甚至更大的塊再通過DMA發(fā)送，比頻繁發(fā)送小數(shù)據(jù)包效率更高。

異步并行傳輸

使用FPGA內(nèi)部多DMA通道或多隊(duì)列機(jī)制，實(shí)現(xiàn)讀寫并行或多流并行傳輸。這樣可以充分利用PCIe多條通道的帶寬，防止單一事務(wù)阻塞影響整體吞吐。

流水線設(shè)計(jì)

在FPGA中設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)緩沖和流水線，使得數(shù)據(jù)在采集->處理->傳輸各階段能夠重疊執(zhí)行。例如采用Ping-Pong雙緩沖，F(xiàn)PGA在DMA傳輸當(dāng)前緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的同時(shí)，下一塊數(shù)據(jù)采集或計(jì)算不間斷進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的連續(xù)高速輸出。

通過以上策略，FPGA可以將PCIe 3.0鏈路的帶寬利用率最大化，實(shí)現(xiàn)與ARM內(nèi)存之間近似實(shí)時(shí)的大容量數(shù)據(jù)交換。在數(shù)據(jù)采集（如高速ADC數(shù)據(jù)傳輸）、視頻處理（如4K/8K超高清視頻幀傳輸）等場景下，這種基于PCIe的FPGA加速機(jī)制能夠顯著提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和響應(yīng)速度。

03

FPGA DDR3L高速緩存使用

HZ-CORE-RK3588J_K7核心板在FPGA旁配備DDR3L高速內(nèi)存，作為FPGA的大容量緩存。相比Block RAM，DDR3L容量更大（數(shù)百M(fèi)B至數(shù)GB），位寬更高、頻率更快，數(shù)據(jù)存取速率更高。FPGA通過內(nèi)置的控制器（如Xilinx MIG IP）管理DDR3L，通常速率可達(dá)1600 MT/s以上，32位接口理論帶寬約6.4 GB/s。

FPGA可將DDR3L用作幀緩沖、FIFO隊(duì)列或臨時(shí)數(shù)據(jù)池。例如多路高清視頻處理中可緩存視頻幀進(jìn)行并行編解碼；高速數(shù)據(jù)采集中可作環(huán)形緩沖區(qū)，平衡數(shù)據(jù)流處理的不均衡性，解決外設(shè)與處理單元之間的速率差異。

為了充分發(fā)揮DDR3L在FPGA中的作用，架構(gòu)設(shè)計(jì)上通常會考慮多通道數(shù)據(jù)處理和多端口存儲訪問：

多通道數(shù)據(jù)處理

針對多路并發(fā)數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA可在DDR3L中為每路數(shù)據(jù)設(shè)獨(dú)立緩沖區(qū)，各通道讀寫邏輯獨(dú)立、互不干擾。通過時(shí)間分片或多端口并行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，有效保證并發(fā)數(shù)據(jù)流的高效存取。DDR3L的大帶寬和容量可避免峰值流量下的數(shù)據(jù)丟失與延遲。

多端口存儲架構(gòu)

高性能FPGA設(shè)計(jì)中，多個(gè)模塊常需同時(shí)訪問DDR存儲，如數(shù)據(jù)采集模塊寫入、處理模塊讀取計(jì)算。為避免訪問沖突，可采用存儲調(diào)度機(jī)制或雙端口RAM架構(gòu)。Kintex-7通過AXI總線矩陣和仲裁器，實(shí)現(xiàn)多主設(shè)備共享DDR3控制器。邏輯設(shè)計(jì)上，可利用雙緩沖（Ping-Pong Buffer）：當(dāng)一個(gè)緩沖區(qū)寫滿時(shí)切換至另一緩沖區(qū)，讀寫并行交替進(jìn)行，提高DDR利用率。HZ-CORE-RK3588J_K7板載DDR3L高速存儲和靈活時(shí)鐘管理，確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)同步。在雷達(dá)信號處理、圖像識別等高實(shí)時(shí)性場景下，F(xiàn)PGA借助DDR3L緩存實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理與批處理的高效平衡。通過優(yōu)化緩存架構(gòu)和訪問策略，DDR3L成為系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)處理的核心緩沖區(qū)，保障數(shù)據(jù)高效流動。

04

FPGA與ARM的協(xié)同計(jì)算

ARM端采用八核RK3588J（4核Cortex-A76+4核Cortex-A55，主頻2.0GHz），內(nèi)置6.0 TOPS算力NPU，適合AI推理、多媒體編解碼等任務(wù)；FPGA端提供靈活可編程邏輯和強(qiáng)大并行計(jì)算能力，擅長定制算法加速與實(shí)時(shí)控制。兩者通過高速接口共享數(shù)據(jù)和同步協(xié)作，ARM負(fù)責(zé)通用任務(wù)處理和調(diào)度，F(xiàn)PGA作為硬件加速器處理高實(shí)時(shí)性、高吞吐任務(wù)，形成高效的異構(gòu)計(jì)算平臺。具體協(xié)同方式包括：

AI推理

雖然RK3588J內(nèi)置了強(qiáng)大的NPU，但FPGA在AI任務(wù)中仍有獨(dú)特價(jià)值。FPGA可實(shí)現(xiàn)NPU不擅長的運(yùn)算（如非標(biāo)準(zhǔn)精度處理、特殊模型加速），并可用于數(shù)據(jù)預(yù)處理（圖像去噪、校正）或后處理，減輕ARM負(fù)載、優(yōu)化整體性能。在特定場景中，F(xiàn)PGA還能實(shí)現(xiàn)完整的定制AI推理邏輯。ARM通過驅(qū)動程序向FPGA下發(fā)模型或部分計(jì)算任務(wù)，完成加速后再回傳結(jié)果，從而同時(shí)利用NPU的高效與FPGA的靈活，實(shí)現(xiàn)更快、更靈活的AI推理。

視頻編解碼與多媒體處理

RK3588J處理器具備4K/8K視頻編解碼能力，可處理常見視頻格式。但在特殊任務(wù)中，F(xiàn)PGA可提供輔助，例如在工業(yè)視覺場景下，對多路視頻進(jìn)行拼接、縮放和顏色轉(zhuǎn)換后再交由ARM或GPU編碼。FPGA還能實(shí)現(xiàn)定制濾波或圖像增強(qiáng)，降低處理延遲、提高吞吐性能。FPGA與ARM通過共享緩沖區(qū)和中斷機(jī)制協(xié)作，完成圖像處理后通知ARM進(jìn)行編碼。此外，F(xiàn)PGA也可支持新興或?qū)Ｓ械囊曨l編解碼標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展系統(tǒng)的多媒體能力。

工業(yè)自動化與實(shí)時(shí)控制

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA憑借確定時(shí)序和高并行IO能力，實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)控制算法和高速接口協(xié)議，例如高速PID運(yùn)算和伺服控制。ARM則負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃、參數(shù)調(diào)節(jié)和人機(jī)交互等高層軟件任務(wù)。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，F(xiàn)PGA能迅速執(zhí)行保護(hù)措施并通知ARM處理。在工業(yè)通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA可硬件實(shí)現(xiàn)EtherCAT、PROFINET等實(shí)時(shí)協(xié)議，保證微秒級通信精度，ARM則運(yùn)行協(xié)議棧與高層邏輯。

整體上，系統(tǒng)采用ARM主控、FPGA加速的協(xié)同模式：ARM處理復(fù)雜決策、通信和交互任務(wù)，F(xiàn)PGA執(zhí)行實(shí)時(shí)性強(qiáng)、計(jì)算密集的任務(wù)，兩者通過PCIe或片上總線協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)軟硬件優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)到“1+1>2”的效果。

05

實(shí)際應(yīng)用案例

得益于以上所述的架構(gòu)優(yōu)勢，HZ-CORE-RK3588J_K7在眾多高性能數(shù)據(jù)處理場景中都有用武之地。下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)際案例，闡述FPGA在提升性能方面的作用，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議。

案例1：多通道工業(yè)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)分析

實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集和分析多路高速傳感器數(shù)據(jù)（如高頻振動信號）。采用FPGA直接連接ADC前端，可完成多通道數(shù)據(jù)采集和數(shù)字濾波、FFT頻譜分析等預(yù)處理，再通過PCIe接口將處理結(jié)果高速傳輸給ARM。ARM則負(fù)責(zé)故障診斷、數(shù)據(jù)上報(bào)并通過以太網(wǎng)上傳至云端。

FPGA保證每個(gè)傳感器通道數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、穩(wěn)定采集，避免CPU負(fù)載過高造成數(shù)據(jù)丟失；ARM專注高層分析與通信任務(wù)。這種架構(gòu)相比純CPU方案，延遲更低、擴(kuò)展性更佳，增加傳感器通道僅需擴(kuò)展FPGA邏輯單元，無需大量修改ARM軟件。整體而言，F(xiàn)PGA協(xié)處理模式有效實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、高可靠監(jiān)測和分析。

案例2：軟件無線電（SDR）高速信號處理

軟件無線電（SDR）需要對射頻信號進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波和調(diào)制解調(diào)等高速處理。據(jù)此，F(xiàn)PGA通過與高速ADC/DAC配合，實(shí)現(xiàn)射頻與基帶間的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換與信號處理。在LTE/5G小基站設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA完成PHY層高速FFT/IFFT、信道編碼、數(shù)字上下變頻，ARM則負(fù)責(zé)MAC層及以上協(xié)議處理和網(wǎng)絡(luò)通信。

此外，通過FMC接口可擴(kuò)展射頻子卡，可直接連接FPGA的GTX收發(fā)器和高速IO，支持MIMO多通道并行處理。FPGA解調(diào)后的數(shù)據(jù)交由ARM組幀和網(wǎng)絡(luò)處理，ARM發(fā)送的數(shù)據(jù)再由FPGA編碼調(diào)制并發(fā)射。實(shí)際應(yīng)用表明，這種ARM+FPGA協(xié)同架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)DSP難以達(dá)到的高吞吐與低延遲，充分體現(xiàn)了FPGA在SDR領(lǐng)域的性能優(yōu)勢與協(xié)作價(jià)值。

案例3：多攝像頭圖像處理與智能分析

在智能視覺系統(tǒng)中，經(jīng)常需要同時(shí)處理多路高清攝像頭視頻，并運(yùn)行AI算法進(jìn)行目標(biāo)檢測或識別。FPGA可通過板載擴(kuò)展接口并行采集多路MIPI攝像頭圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的縮放、同步、預(yù)處理等操作，再經(jīng)PCIe傳輸至ARM處理器。ARM結(jié)合NPU完成AI推理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識別和分類。FPGA有效保證多攝像頭數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步與低延遲預(yù)處理，顯著降低整體分析延遲，提高系統(tǒng)吞吐量，滿足工業(yè)與安防場景對實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求。

綜上所述，HZ-CORE-RK3588J_K7核心板通過其Kintex-7 FPGA的靈活可編程架構(gòu)，在高性能數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的加速能力。

從工業(yè)傳感、無線通信到視覺AI，各類應(yīng)用都可以從ARM+FPGA的協(xié)同計(jì)算中受益。在設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)時(shí)，我們建議工程師充分利用FPGA的并行硬件特性和高速通信接口，將關(guān)鍵的性能瓶頸部分卸載到FPGA中執(zhí)行。同時(shí)注重ARM與FPGA之間的高效協(xié)作，通過硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，工程師能夠構(gòu)建出性能卓越且靈活可靠的高性能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，充分發(fā)揮HZ-CORE-RK3588J_K7這樣的ARM+FPGA異構(gòu)平臺的價(jià)值。