ZYNQ嵌入式处理器FPGA单芯片方案的特点及应用
尽管ARM9和ARM7是ARM全世界授权量最多的(图4) ,也是出货量最大的;但是Cortex-A系列是所有系列里面增长速度最快的,甚至超过M系列。
除了Xilinx的Zynq家族外,很多公司已经或正在做基于Cortex-A9的创新,智能手机、平板电脑、3D TV;网络SoC(系统芯片)、网络服务器、超级计算机……。
这些企业之所以选择A9,因为它是ARM处理器系列中较高性能的一款产品,采用了ARMv7架构。A9处理器的设计是基于先进的推测型八级流水线(speculating 8-stage pipeline),该流水线具有高效、动态长度、多发射超标量及无序完成特征,因此这款处理器的性能、功效和功能均达到了高水平,能够满足消费、网络、企业和移动应用等领域尖端产品的要求。
处理器FPGA整合:11>2
市场调查表明,FPGA目前在全部嵌入式系统中的使用比例占50%~70%『4』。因此这个市场非常巨大,而通常的工程方案是“嵌入式处理器FPGA”。“但是我们的客户并不满足于此,或者说在客户的应用里目前的器件都不能满足他们的需求,无论是传统的单个处理器、单个FPGA、ASIC或者是ASSP,特别是对于软件开发公司来说,对FPGA编程相当困难。我们发现到2014年有约127亿美元的市场是传统FPGA没法服务的。”Xilinx全球市场营销高级副总裁Vin Ratford说道。
当前的四大挑战是:提高系统性能,降低系统功耗,减少电路板的面积,降低总体系统的成本。
而一块Zynq器件就可以实现“嵌入式处理器+FPGA”功能。尤其Zynq不是仅仅把 FPGA 跟处理器简单地集成在一起,更是两者的有机结合。如图5,传统的FPGA与处理器之间的互联是PCIe等,而Zynq采用了AXI4连接总线,这样的布局可以在FPGA 与处理器之间形成很宽的带宽。图5上方是双芯片方案。可以看到FPGA与处理器中间互联利用 PCIe的互联带宽较窄,而且PCIe通道也较少,这意味着有时超过一半的FPGA会用来支持带宽;并且两个器件分别接着外带的存储器。图5下方可以看到使用Zynq后,可以把中间的PCIe连接取走,再加上存储器可以和FPGA 分享,这样可以大大降低成本和功耗。
ARM中国总裁吴雄昂指出:“众所周知,新一代的系统处理,不只是CPU的功能,接口的处理能力在很大程度上决定了整个系统的应用能力。所以我们往往看到同样一个设计,因为良好的接口的融合,功能会相差50%。我们很高兴Xilinx的Zynq在新的AMBA AXI4 (Advanced eXtensible Interface 4) 接口上达到了很高的数据吞吐能力。”
Zynq以ARM为核心
Zynq尽管是由FPGA厂商—Xilinx主导的,但Xilinx称其是全新的EPP(可扩展处理平台),应用时,Zynq上电后处理系统会自动启动,而不会是FPGA先启动。
实际上,Zynq-7000系列具有完整的ARM处理系统(图6),是以ARM Cortex-A9 MPCore为中心,还集成了存储器控制器和外设;另外,紧密集成可编程逻辑方面,图6的黄色部分是FPGA,它们之间约有3000个内部互连,内部互连十倍于现有的双芯片方案;除此之外,有灵活的I/O阵列,包括处理器专用I/O,可以支持多重标准的I/O,还集成了高性能串行收发器,双12位的模数转换器的输入部分,输入可以直接接到器件混模的架构里。
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