賽靈思Zynq-7000 可擴展處理平臺(EPP) - 全文

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賽靈思Zynq-7000 可擴展處理平臺（EPP）將雙 ARM Cortex-A9 MPCore 處理器系統(tǒng)與可編程邏輯和硬 IP 外設(shè)緊密集成在一起，提供了靈活性、可配置性和性能的完美組合。圍繞其剛剛推出的可擴展處理平臺（EPP）， 賽靈思在今年3月發(fā)布了基于Zynq -7000新系列的首批器件。?

采用 28 nm制造工藝， Zynq-7000嵌入式處理平臺系列的每款產(chǎn)品均采用帶有NEON及雙精度浮點引擎的雙核 ARM Cortex-A9 MPCore 處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過硬連線完成了包括L1，L2 緩存、存儲器控制器以及常用外設(shè)在內(nèi)的全面集成。(圖 1)。盡管 FPGA 廠商此前已推出過帶硬核或軟核處理器的器件，但 Zynq-7000 EPP 的獨特之處在于它由ARM處理器系統(tǒng)而非可編程邏輯元件來進(jìn)行控制。也就是說，處理系統(tǒng)能夠在開機時引導(dǎo)（在 FPGA 邏輯之前）并運行各個獨立于可編程邏輯之外的操作系統(tǒng)。這樣設(shè)計人員就可對處理系統(tǒng)進(jìn)行編程，根據(jù)需要來配置可編程邏輯。

利用這種方法，軟件編程模式將與全功能標(biāo)準(zhǔn) ARM 處理器片上系統(tǒng)（SoC）毫無二致。過去設(shè)計師需要對 FPGA 邏輯進(jìn)行編程以運行片上處理器。那就意味著如果想要使用器件，必須得是 FPGA 設(shè)計師。但現(xiàn)在使用 Zynq-7000 EPP，則完全不必?fù)?dān)心這一問題。


圖 1 —— 不同于以往在 FPGA 架構(gòu)中嵌入 MPU ，賽靈思全新 Zynq-7000 EPP 系列使用 ARM 處理器而非可編程邏輯來進(jìn)行控制。

圖1中文字：

新產(chǎn)品系列消除了延遲和從頭設(shè)計芯片的風(fēng)險，這意味著系統(tǒng)設(shè)計團(tuán)隊可以利用其先進(jìn)的高級軟硬件編程多功能性簡便快速創(chuàng)建創(chuàng)新型片上系統(tǒng)，而這是其他任何半導(dǎo)體器件都無法實現(xiàn)的。這樣，Zynq -7000 EPP 能夠為廣大的創(chuàng)新者帶來無法比擬的益處，無論是專業(yè)的硬件、軟件、系統(tǒng)設(shè)計師或僅是單純的“制造商”，他們都可以探討處理能力與編程邏輯結(jié)合的可能性，進(jìn)而創(chuàng)建出從未想象過的創(chuàng)新應(yīng)用。

賽靈思處理平臺副總裁 Larry Getman 表示：“從最根本的層次來說，Zynq-7000 EPP 應(yīng)該算是一類全新的半導(dǎo)體產(chǎn)品。它既不是單純的處理器，也不是單純的 FPGA。我們的產(chǎn)品是兩者的完美結(jié)合，正因如此我們才能夠幫助您消除現(xiàn)有解決方案的局限性，尤其針對雙芯片解決方案和 ASIC。

Getman 稱當(dāng)前大多數(shù)電子系統(tǒng)都是將一個FPGA和一個獨立處理器或者一個帶有片上處理器的ASIC在同一個PCB上配合使用。賽靈思的最新產(chǎn)品可支持使用這類雙芯片解決方案的公司利用一個Zynq-7000 芯片來構(gòu)建下一代系統(tǒng)，節(jié)省了物料成本和 PCB 空間，并且降低了總體功耗預(yù)算。由于處理器和FPGA 在相同的架構(gòu)上，因此性能也得到了大幅提升。

Getman 表示 Zynq-7000 EPP 將會加快從 ASIC向 FPGA 的市場遷移。采用最新制造工藝實施 ASIC 過于昂貴并且對大多數(shù)應(yīng)用來說風(fēng)險太大。因此，越來越多的公司青睞于 FPGA。許多嘗試堅守舊 ASIC 方法的公司采用舊的制造工藝來實施他們的設(shè)計，分析師稱之為“價值認(rèn)知型片上系統(tǒng) ASIC”。然而 ASIC 依舊需要較長的設(shè)計周期并且存在重新設(shè)計（respin）的風(fēng)險，這樣一來費用將會非常昂貴并且可能還會延遲產(chǎn)品的上市時間。Getman 說：“與舊技術(shù)相比，借助采用 28 nm技術(shù)的 Zynq-7000 EPP，器件的可編程邏輯部分并不存在尺寸或性能損耗的問題，您還可在處理子系統(tǒng)中獲得硬化 28 nm片上系統(tǒng)的附加優(yōu)勢。憑借不到 15 美元的起始售價，我們使設(shè)計那些產(chǎn)量并非很大的 ASIC 在成本和風(fēng)險上都不再劃算。您可以即刻讓您的軟硬件團(tuán)隊開工，而那些死守ASIC 的設(shè)計團(tuán)隊就很難做到這一點?！?br style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif" />
Getman 表示自從賽靈思去年推出這款架構(gòu)以來，市場對Zynq-7000 EPP的興趣和需求非常強烈。經(jīng)選擇出的一部分早期試用客戶（alpha customer）已開始對將使用 Zynq-7000 器件的系統(tǒng)進(jìn)行原型設(shè)計。該技術(shù)非常令人興奮?！?br style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif" />
智能架構(gòu)決策

在賽靈思處理解決方案副總裁 Vidya Rajagopalan 的領(lǐng)導(dǎo)下，Zynq-7000 EPP 設(shè)計團(tuán)隊專門針對這類新器件而推出了一款設(shè)計精良的架構(gòu)。除了選擇應(yīng)用廣泛且倍受歡迎的 ARM 處理器系統(tǒng)以外，設(shè)計團(tuán)隊的一個重要架構(gòu)決策是在處理系統(tǒng)和可編程邏輯之間廣泛使用高帶寬 AMBA? 高級擴展接口（AXI?）互聯(lián)。這樣一來便能夠以較低的功耗支持 ARM 雙核 Cortex-A9 MPCore 處理子系統(tǒng)和可編程邏輯之間的多千兆位數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而消除了控制、數(shù)據(jù)、I/O 和內(nèi)存所面臨的性能瓶頸。

實際上，賽靈思一直與 ARM 保持緊密合作，力求讓 ARM 架構(gòu)更加適合于 FPGA 應(yīng)用。Rajagopalan 稱：“AXI4 擁有存儲器訪問版本和流數(shù)據(jù)訪問版本。賽靈思推動著 ARM 的流定義，因為人們針對應(yīng)用而開發(fā)的許多 IP （例如高帶寬視頻）均為流 IP。ARM 的產(chǎn)品沒有這種流接口，因此他們選擇與我們合作?！?br style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif" />
Getman 稱這款架構(gòu)的另一個主要方面是賽靈思將一組有益的標(biāo)準(zhǔn)接口 IP 硬化到 Zynq-7000 EPP 芯片中。他說：“我們盡量選擇應(yīng)用更廣泛的外設(shè)，例如 USB、以太網(wǎng)、SDIO、UART、SPI、I2C 和 GPIO 都是標(biāo)準(zhǔn)配置。但有一個例外，那就是我們還向該器件添加了 CAN。CAN 屬于稍專業(yè)化的硬化核心之一，但它在以下兩個主要目標(biāo)市場中應(yīng)用廣泛：工業(yè)和汽車業(yè)。將其硬化在器件中只是 Zynq-7000 EPP 的又一個賣點。

在內(nèi)存方面，Zynq-7000 器件提供了多達(dá) 512 KB 的二級緩存，由兩個處理器共享。Getman 說：“Zynq-7000 EPP 器件具有 256 KB 的高速暫存區(qū)，這是處理器和 FPGA 都可以訪問的共享內(nèi)存?！?br style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif" />
一個單獨的多標(biāo)準(zhǔn) DDR 控制器可支持三種類型的雙倍數(shù)據(jù)速率內(nèi)存。 Rajagopalan 表示：“大多數(shù) ASSP 的目標(biāo)是特定細(xì)分市場，而我們的目標(biāo)是 LP DDR2、DDR2 和 DDR3，因此用戶可以根據(jù)自身需求在功率和性能之間做出權(quán)衡。這是一種多標(biāo)準(zhǔn) DDR 控制器，而我們是最早提供類似控制器的公司之一?！?br style="PADDING-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-TOP: 0px; FONT-FAMILY: Arial, Helvetica, sans-serif" />
Zynq-7000 EPP 不僅是一種新器件，也是賽靈思的最新設(shè)計平臺， 它與開發(fā)板、軟件、IP 和文檔一起提供，可以幫助客戶迅速上手和運行。此外，賽靈思還將在未來幾年中不斷推出針對特定垂直市場和特定應(yīng)用的 Zynq-7000 EPP 設(shè)計平臺（包括板卡或子卡、IP 和文檔），以幫助設(shè)計團(tuán)隊加快產(chǎn)品上市速度。
賽靈思聯(lián)盟計劃成員和 ARM 聯(lián)盟也將為客戶提供豐富的 Zynq-7000 EPP 資源，包括主流操作系統(tǒng)、調(diào)試程序、IP、參考設(shè)計及其它學(xué)習(xí)和開發(fā)資料等。

除了創(chuàng)造出色的芯片和配套工具，賽靈思還為 Zynq-7000 EPP 精心提供了簡單易用的設(shè)計和編程流程。

以處理器為中心的開發(fā)流程

Zynq-7000 EPP 依賴于一種常見的工具流，嵌入式軟件和硬件工程師可利用這一工具流來執(zhí)行開發(fā)、調(diào)試和實施任務(wù)。其方法與現(xiàn)在非常相似，即采用通過 Xilinx? ISE? 設(shè)計套裝和第三方工具提供的常見嵌入式設(shè)計方法（圖 2）。Getman 注意到，軟件應(yīng)用工程師能使用與在之前的設(shè)計中采用的相同開發(fā)工具。賽靈思為嵌入式軟件應(yīng)用項目提供了軟件開發(fā)工具包（SDK，一種基于 Eclipse 的工具套裝）。工程師還可以使用第三方開發(fā)環(huán)境，例如 ARM Development Studio 5 (DS-5?)、ARM RealView Development Suite (RVDS?) 或任何其它來自 ARM 體系的開發(fā)工具。

Linux 應(yīng)用開發(fā)人員可以充分利用 Zynq-7000 器件中的兩個 Cortex-A9 CPU 內(nèi)核，在對稱多處理器模式下實現(xiàn)最高的性能。此外，他們還可以在單處理器或?qū)ΨQ多處理器模式下運行的 Linux 系統(tǒng)（一種實時操作系統(tǒng) (RTOS)，包括 VxWorks 等）中設(shè)置 CPU 內(nèi)核，也可以在二者中同時設(shè)置。為了支持快速開始軟件開發(fā)，賽靈思為客戶提供了開源的 Linux 驅(qū)動程序和裸機驅(qū)動程序，適用于所有外圍處理設(shè)備（USB、以太網(wǎng)、SDIO、UART、CAN、SPI、I²C 和 GPIO）。賽靈思和 ARM 合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)還提供了全面支持的 OS/RTOS 板卡支持套件，以及中間件和應(yīng)用軟件。

與此同時，ISE 設(shè)計套裝中的硬件設(shè)計流程與嵌入式處理器設(shè)計流程相似，并為可擴展處理平臺增加了一些新步驟。處理子系統(tǒng)是一個擁有整套通用外圍設(shè)備的完整的雙核系統(tǒng)。硬件設(shè)計師可以通過在可編程邏輯中為處理子系統(tǒng)連接更多軟 IP 外圍設(shè)備，來擴展其處理能力。硬件開發(fā)工具 Xilinx Platform Studio 實現(xiàn)了許多常用硬件開發(fā)步驟的自動化，還能協(xié)助設(shè)計師優(yōu)化器件引腳。Getman 介紹說：“我們還為 ISE 增加了一些對硬件斷點和交叉觸發(fā)進(jìn)行共同調(diào)試的功能。對我們來說，最重要的是要為軟件開發(fā)人員和硬件設(shè)計師們提供舒適的開發(fā)環(huán)境。”

一種妥善的編程方法

在賽靈思的產(chǎn)品中，用戶可以配置可編程邏輯，并通過 AXI “互連”模塊將其連接到 ARM 內(nèi)核，以擴展處理器系統(tǒng)的性能和功能范圍。賽靈思和 ARM 合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)提供了大量的軟 AMBA 接口 IP 內(nèi)核，供設(shè)計人員在 FPGA 可編程邏輯中使用。設(shè)計人員可以用它們來構(gòu)建其目標(biāo)應(yīng)用所需的任何自定義功能。器件使用的是與 7 系列 FPGA 相同的常見可編程邏輯結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計人員可以加載一個或者多個配置文件，甚至采用部分可重配置技術(shù)，來支持器件按需即時對可編程邏輯功能進(jìn)行重新編程。

器件兩部分之間的互連操作對于設(shè)計人員在很大程度上是透明的。

圖 2 - Zynq-7000 EPP 采用的是一種常見工具流，供系統(tǒng)架構(gòu)師、軟件開發(fā)人員和硬件設(shè)計師等人員使用。

工具開發(fā)流程

圖中文字：

主、從器件之間的相互訪問是根據(jù)為每個從器件分配的地址范圍，通過 AXI 互連來路由的。多個主器件可以同時訪問多個副器件，并且每個 AXI 互連使用一個兩級 (two-level) 仲裁機制解決爭用問題。

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