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简谈Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现

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今天给大侠带来简谈Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现,话不多说,上货。




Xilinx的ZYNQ系列FPGA是二种看上去对立面的思想的融合,ARM处理器的串行执行+FPGA的并行执行,着力于解决大数据处理、人工智能等复杂高性能算法处理。新的设计工具的推出,vivado HLS,更加注重嵌入式系统的系统级建模,通过HLS工具,用户只需要编写C语言代码,就可以让工具自动转换和生成HDL代码。


随着异构架构和片上系统技术的不断发展,协同设计、协同仿真和协同调试将成为未来嵌入式系统开发者必备的素质。所谓的协同,就是要求设计者同时掌握软件和硬件知识,这与传统上软件和硬件分离的设计方法有着本质的区别。由于半导体技术的不断发展,使得电子系统从传统的PCB板级进化到芯片级,对于嵌入式系统的小型化、低功耗和可靠性的改善都提供了强大的保证。


1、全可编程片上系统基础知识


以传统的现场可编程门阵列结构(Field Programmable Gate Array,FPGA)为基础,将专用的中央处理器单元(Central Processing Uint,CPU)和可编程逻辑资源集成在单个芯片中,产生了一种全新的设计平台,我们称之为全可编程片上系统(ALL Programmable System-on-chip,APSoC).


SoC的架构如下:(固化、灵活性差、专用性强、设计复杂)




SoC、CPU、MCU的比较


SoC:可以集成多个功能强大的处理器内核、可以集成存储块、IO资源及其他外设、可以集成GPU\DSP\音频视频解码器等、可以运行不同的操作系统、用于高级应用如智能手机\平板电脑等;


CPU:单个处理器核,需要外部额外的存储器核外设支持,应用绝大多数场合;


MCU:典型的只有一个处理器内核、内部包含了存储器、IO及其他外设、用于工业控制领域如嵌入式应用。


AP SoC的诞生背景:


在全可编程平台设计阶段,设计已经从传统上以硬件描述语言HDL为中心的硬件逻辑设计,转换到以C语言为代表的软件为中心的功能描述,所以就形成了以C语言描述嵌入式系统结构的功能,而用HDL语言描述硬件的具体实现的设计方法,这也是基于全可编程SoC和传统上基于SoC器件实现嵌入式系统设计的最大区别,即真正实现了软件和硬件的协同设计。



最大优点可实现硬件加速:



设计者可以根据需求在硬件实现和软件实现之间进行权衡,使所设计的嵌入式系统满足最好的性价比要求,例如,在实现一个嵌入式系统设计时,当使用软件实现算法成为整个系统性能的瓶颈时,设计人员可以选全可编程SoC内使用硬件逻辑定制协处理器引擎来高效的实现该算法,这个使用硬件逻辑实现的协处理器,可以通过AMBA接口与全可编程SoC内的ARM Cortex A9嵌入式处理器连接,此外,通过XilinX所提供的最新高级综合工具HLS,设计者很容易将软件瓶颈转换为由硬件处理。


2、全可编程片上系统中的处理器类型


根据不同的需求,全可编程片上系统的处理器可以分为软核和硬核处理器。


硬核处理器:早期Xilinx将IBM公司的PowerPC硬核集成在V5系列的FPGA中,后来将ARM公司的双核Cortex-A9硬核集成在ZYNQ 7000系列的SoC芯片中



软核处理器:对于一些对处理器性能要求不是很高的需求,没有必要在硅片上专门划分一定的区域来实现专用的处理器,而是通过使用FPGA芯片内所提供的设计资源,包括LUT\bram、触发器和互联资源,实现一个处理器的功能,这就是软核处理器,对于软核处理器,他通过HDL语言或者网表进行描述 ,通过通过综合后才能被使用。



3、ZYNQ-7000 SoC功能与结构






在该全可编程SoC中,双核ARM-Cortex-A9多核CPU是PS的心脏,它包含片上存储器、外部存储器接口和丰富功能的外设。与传统的FPGA和SoC相比,ZYNQ7000不但提供了FPGA灵活性和可扩展性,也提供了专用集成电路的相关性能、功耗和易用性。


ZYNQ 7000的结构便于将定制逻辑和软件分别映射到PL和PS中,这样就可实现独一无二和差异化的系统功能。

与传统的FPGA方法不同的是,ZYNQ 7000 SoC总是最先启动PS内的处理器,这样允许PS上运行的基于软件程序用于启动系统并且配置PL,这样可以将配置PL设置成启动过程的一部分或者在将来的某个时间再单独的配置PL,此外可以实现PL的完全重配置或者使用部分可重配置(PR,Partional Reconfihuration,允许动态的重新配置PL中的某一个部分,这样能够对设计进行动态的修改)。



本次简谈到此结束,后续会带来PS构成、PL构成、互联结构、供电引脚、MIO到EMIO的链接等内容。大侠,有缘再见!