基于Xilinx Zynq-7000设计的NI cRIO-9068控制器

作者:Robert Bielby—Xilinx战略市场和企业规划高级总监

十多年来,NI和Xilinx公司之间的技术合作不断为工程师和科学家提供了进行创新和改变世界的工具。 NI为其一代又一代的新产品(如NI FlexRIO模块、CompactRIO控制器)提供最新一代的Xilinx FPGA。此外,cRIO-9068软件设计控制器也是基于创新的Zynq-7000可完全编程SoC设备。

NI充分利用了其产品中器件的特性,同时简化了编程,使工程师和科学家们可以在熟悉的环境中进行开发,而无需深入探索Xilinx设备编程的底层细节。本文将简要介绍NI cRIO-9068创新产品系列的核心——Zynq SoC的传统功能和新亮点。

Xilinx的共同创始人之一Ross Freeman于1988年发明了FPGA,并于2010年被追列入“美国发明家名人堂”。 自Freeman发明FPGA之后的25年以来,他创立的公司以“编程创新”为口号,不断发展壮大。当时,该公司已经将设备从千门胶合逻辑实用设备升级为通常所称的“完全可编程设备”。 今天的Xilinx设备已经远非 “门阵列”这一个术语所能涵盖的,它在单个设备上集成数百万门、数字信号处理(DSP)、内存、硬化外设IP以及速率高达28 Gbit/s的I/ O。

从2008年开始,Xilinx开始执行一个计划,明确地扩大其投资组合,利用“可编程”所展示出的无尽可能性。该公司在28nm节点上开发了一系列业界领先的可完全编程的FPGA,包括Virtex-7、Kintex-7和Artix-7 FPGA,同时也推出了世界上第一个同构和异构可编程3D 集成芯片以及屡获殊荣的创新型设备——Zynq-7000可完全编程的SoC设备。

图 1. Zynq-7000 All Programmable SoC在单个设备中集成了一个双核ARM Cortex-A9处理系统、28nm FPGA芯片和多个关键外设。

图 1. Zynq-7000 All Programmable SoC在单个设备中集成了一个双核ARM Cortex-A9处理系统、28nm FPGA芯片和多个关键外设。

NI技术人员在帮助Xilinx定义Zynq-7000可完全编程SoC设备的需求时发挥了关键作用,因为Xilinx和NI都看中未来产品器件的可编程性具有巨大的价值和发展潜力。Zynq SoC是在单个设备上集成双核ARM Cortex-A9微处理器、FPGA芯片和关键外设的首个商用设备(图1)。处理器和FPGA芯片通过10,000个内部互连进行通信,使得微处理器和FPGA芯片之间具有前所未有的高性能,这是印刷电路板上独立处理器和FPGA之间不可能实现的。

在Zynq SoC之前,Xilinx SoC开发了几个在硅芯片上集成PowerPC内核的FPGA,在此基础上以及结合其他方面的经验,Xilinx赋予了Zynq SoC一个更加用户友好的编程方法。Zynq SOC并不是“FPGA”,因为它的独特之处在于整个应用由处理系统控制,而不是FPGA芯片。也就是说处理系统启动后控制FPGA芯片的功能。这意味着用户并不需要熟练掌握FPGA设计技术才能开发在Zynq SoC的处理器子系统上运行的应用程序。

Zynq SOC使得客户能够自行选择操作系统或实时操作系统以及开发软件,在C、Ç+ +或SystemC中进行设计,并将设计编程到Zynq SoC处理系统中。如果其中一部分设计的运行速度较慢,设计人员可以使用Xilinx的Vivado高层次综合(HLS)工具来将他们在C语言中开发的算法或算法的一部分转换成VHDL,并在Zynq SoC的FPGA芯片上测试代码的运行。通过将正确的函数从处理器加载到FPGA芯片,释放处理器以便让处理器运行效率最高的函数,用户可以实现比基于处理器的设计高达700倍的整体性能提升。

Zynq SoC的主要特性并不仅仅在于硅芯片和架构。为了确保成功,Xilinx公司针对Zynq SoC建立了广泛的操作系统、RTOS和软件开发支持以及外设IP和专用IP支持。 而且针对Xilinx的航空航天和国防项目,无与伦比的可靠性和安全性也是最为关键的特性。

借助NI LabVIEW系统设计软件的直观G编程语言,用户可以轻松地利用Zynq SoC。 CompactRIO软件设计控制器和直观的LabVIEW开发环境相结合,使得系统设计人员无需学习Xilinx Vivado工具套件所需的硬件设计语言或Vivado HLS即可搭建嵌入式系统。 由于LabVIEW可重配置I/O (RIO)架构可让用户无需从头开始创建自定义硬件,因而节省了昂贵的开发时间,缩短了产品的上市时间。Xilinx期待继续为NI提供尖端的可完全编程的技术。