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簡述嵌入式SOC ZYNQ硬件系統(tǒng)

FPGA之家 ? 來源:FPGA之家 ? 作者:FPGA之家 ? 2021-04-30 14:22 ? 次閱讀
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FPGA的應(yīng)用

FPGA 是可編程再設(shè)計(jì)的“萬能”芯片。FPGA (Field Programmable Gate Array)現(xiàn)場可編程門陣列,是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路,它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu),讓客戶不必依賴由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。

FPGA的核心優(yōu)點(diǎn):可編程靈活性高、開發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高。與ASIC的全定制電路不同,F(xiàn)PGA屬于半定制電路。理論上,如果FPGA提供的門電路規(guī)模足夠大,通過編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外,編程可以反復(fù),不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。

由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu),這一點(diǎn)對于實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)字信號處理十分有利。通過FPGA來實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu),就可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作。

FPGA自從誕生開始便是工業(yè)設(shè)計(jì)的寵兒,特別是在通信,語音,圖像,人工智能等領(lǐng)域一直發(fā)揮著不可替代的作用。應(yīng)用場景較為豐富,包括:ASIC 原型設(shè)計(jì)、汽車、收發(fā)器、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)、醫(yī)療、測試/測量、有線/無線通信等。其中通信、消費(fèi)電子和汽車是主要應(yīng)用場景,市場規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

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AI領(lǐng)域

5G時(shí)代,人工智能領(lǐng)域的需求呈現(xiàn)持續(xù)快速爆發(fā)式增長?;?a target="_blank">CPU的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)無法充分滿足人工智能高性能并行計(jì)算的需求,F(xiàn)PGA是低功耗異構(gòu)芯片,開發(fā)周期快,編程靈活,在AI領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

自動(dòng)駕駛

對于自動(dòng)駕駛來說,反應(yīng)速度非常重要,主要用到攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。且設(shè)備需要不斷更新,這時(shí)候FPGA的優(yōu)勢就凸顯出來了,可以配合算法實(shí)現(xiàn)快速更新。

5G通信

可編程的核心特性與5G無線網(wǎng)絡(luò)對靈活性、性價(jià)比和智能化的需求不謀而合。很多通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景是需要隨時(shí)升級的,與FPGA相比,ASIC的靈活性不夠,無法跟上算法的迭代更新,因此選擇 FPGA是一個(gè)更好的選擇。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

FPGA在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域聚焦在五個(gè)方面:工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信,機(jī)器視覺,工業(yè)機(jī)器人,邊緣計(jì)算,工業(yè)云。這五個(gè)方面跨越多個(gè)應(yīng)用場景,且在每個(gè)場景有一個(gè)共性:低延時(shí),對計(jì)算性能要求高?;谶@樣的特性,F(xiàn)PGA將成為構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石之一。

數(shù)據(jù)中心

FPGA已經(jīng)在大型數(shù)據(jù)中心得到大規(guī)模應(yīng)用,全球七大超級云計(jì)算數(shù)據(jù)中心包括微軟、阿里云、騰訊云、百度云、Facebook都采用了FPGA加速服務(wù)器。人工智能的廣泛應(yīng)用場景的架構(gòu)多樣性,可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢和特點(diǎn),開創(chuàng)新型FPGA在數(shù)據(jù)中心的新局面。

ARM應(yīng)用

ARM公司是一家知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)供應(yīng)商,它與一般的半導(dǎo)體公司最大的不同就是不制造芯片且不向終端用戶出售芯片,而是通過轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)方案,由合作伙伴生產(chǎn)出各具特色的芯片。ARM公司利用這種雙贏的伙伴關(guān)系迅速成為了全球性RISC微處理器標(biāo)準(zhǔn)的締造者。這種模式也給用戶帶來巨大的好處,因?yàn)橛脩糁徽莆找环NARM內(nèi)核結(jié)構(gòu)及其開發(fā)手段,就能夠使用多家公司相同ARM內(nèi)核的芯片。

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目前ARM CPU 在移動(dòng)端,物聯(lián)網(wǎng),以及工業(yè)控制等領(lǐng)域占絕對的統(tǒng)治地位

工業(yè)控制

作為 32 位的 RISC 架構(gòu),基于 ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額,同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展, ARM 微控制器的低功耗、高性價(jià)比,向傳統(tǒng)的 8 位 /16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

無線通訊

目前已有超過 85% 的無線通訊設(shè)備采用了 ARM 技術(shù), ARM 以其高性能和低成本,在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

消費(fèi)類電子

ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

成像和安全產(chǎn)品

現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM 技術(shù)。手機(jī)中的 32位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術(shù)。

內(nèi)嵌處理器硬核的FPGA

即SoC FPGA,是在芯片設(shè)計(jì)之初,就在內(nèi)部的硬件電路上添加了硬核處理器,是純硬件實(shí)現(xiàn)的,不會(huì)消耗FPGA的邏輯資源,硬核處理器和FPGA邏輯在一定程度上是相互獨(dú)立的,簡單的說,就是SoC FPGA就是把一塊ARM處理器和一塊FPGA芯片封裝成了一個(gè)芯片。

?ARM和FPGA 的結(jié)合更是給設(shè)計(jì)帶來了高性能,高靈活性等便利,而且也是目前非常流行的設(shè)計(jì)方式

?目前支持ARM-SOC的FPGA器件有:Xilinx-ZYNQ( Artis, Kintex,Ultra-scale), Intel( Cyclone-5,Arria-10)。

ZYNQ硬件資源(最主流SOC的芯片)

下面引用Xilinx官方UG585的框圖來介紹Zyqn的硬件資源:

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PS端

PS即可編程系統(tǒng)部分,指的是ARM處理器部分。主要包括:

1、應(yīng)用處理器APU(Application Processor Unit):

a、最高達(dá)雙核ARM Cortex-A9多核處理器CPU

b、DMA控制器

c、通用的中斷控制器等等

bf03a9e8-a95f-11eb-9728-12bb97331649.png

2、存儲(chǔ)器接口Memory Interface:

a、DDR內(nèi)存控制器接口,支持PS端的DDR內(nèi)存讀寫控制。

b、QSPI接口:提供1-2個(gè)SPI接口,支持QSPI啟動(dòng)。

c、靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器(Static Memory Controller):提供了NAND存儲(chǔ)器的讀/寫和控制功能。

3、外部I/O口 (I/O Peripherals):

a、GPIO接口,PS端有54個(gè)通用GPIO接口,可以通過EMIO口擴(kuò)展到PL端128個(gè)GPIO接口,最多192個(gè)GPIO接口。ETH接口,以太網(wǎng)控制器接口

b、USB接口,2個(gè)USB接口,支持USB2.0設(shè)備。

c、SD卡接口,可以作為Zyqn的啟動(dòng)設(shè)備,存儲(chǔ)Linux系統(tǒng)等。

d、SPI接口,支持2個(gè)SPI接口。

e、CAN BUS工業(yè)接口。

f、UART接口X2,標(biāo)準(zhǔn)串口。

g、I2C接口。

4、內(nèi)部接口 (Interconnect)主要是針對于PL部分通信的AXI接口等等和EMIO接口等等。

PL端

PL即可編程邏輯部分,指的是FPGA部分。PL和PS兩者之間可以通過總線進(jìn)行通信。如果在進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí),發(fā)現(xiàn)某些算法太慢,速度上不去,可以用FPGA的邏輯部分把這部分進(jìn)行優(yōu)化,從FPGA邏輯部分到ARM軟件開發(fā),可以在Xilinx的開發(fā)環(huán)境里切換。

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主要包括:

包括可配置邏輯單元CLB

BRAM資源

數(shù)字信號處理DSP48E1單元

CMT時(shí)鐘管理單元

Select I/O可配置的IO資源

GTX接口,低功耗的千兆收發(fā)器,最高可達(dá)12.5GB/s。

XADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器

PCIE接口,可以配置PCIE接口。

ICF-BM7030

圍繞Zynq的硬件資源可以進(jìn)行開發(fā)板和硬件單板的開發(fā),以7z030芯片為例,ICF-BM7030的開發(fā)板資源如下:

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開發(fā)板集成和利用了大部分的PS和PL端接口,適合Zynq的研究項(xiàng)目和課題研究:

主芯片及外部接口標(biāo)注如下圖:

1:Xilinx Xc7z030-2ffg676I

2: 6位共陽數(shù)碼管(PL)

3:電源 DC-12v/4A

4:千兆接口 (PL端)

5:語音輸入、輸出 (PL)

6:千兆接口(PS)

7:SD-CARD 接口(PS)

8:USB2.0高速接口(PS)

9:按鍵(PL)

10:開關(guān)(PL)

11:FPGA/ARM-JTAG

12:GPIO (PL)

13:HDMI (PL)

14:FMC(LPC

15:SFP+接口(PL)

16:RISC-V JTAG外部接口

17:RISC-V JTAG內(nèi)置USB接口,UART轉(zhuǎn)USB接口

SOC的發(fā)展趨勢

隨著高速數(shù)字信號通信和處理的需求和發(fā)展,以及對更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望,構(gòu)架系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加地強(qiáng)有力。這一要求對ARM和FPGA芯片市場提出了重要的挑戰(zhàn),其中最重要的三個(gè)方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來平衡這三方面的要求,如利用系統(tǒng)芯片(SOC)可以將盡可能多的功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片上或FPGA芯片集上,使其性能上具有速率高、功耗低;在成本上價(jià)格低廉;而且還可以降低復(fù)雜性,便于使用。

今后高速ARM加FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢,將是以系統(tǒng)芯片為核心,信息處理速度將達(dá)到每秒幾十億次乘加運(yùn)算,因此,只有多系統(tǒng)芯片才能肩負(fù)此重任。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起,成為新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)。基于ARM加FPGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性,而且還可能利用并行算法操作,具有更高速的數(shù)字信號處理能力,為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了更為有利的支持。ARM加FPGA系統(tǒng)必將成為現(xiàn)在以及未來工業(yè)領(lǐng)域的重要支柱。

編輯:jq

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原文標(biāo)題:【干貨分享】嵌入式SOC ZYNQ硬件系統(tǒng)介紹

文章出處:【微信號:zhuyandz,微信公眾號:FPGA之家】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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