赛灵思以内嵌Cortex-A9 MPCore 的Zynq-7000 系列产品杀入高端嵌入式SOC处理器市场

赛灵思公司全球市场营销及业务开发高级副总裁 Vin Ratford 作者:张国斌
“Zynq-7000 系列产品的推出,是否意味着赛灵思进入SOC嵌入式处理器市场?”“是的!”3月2日,在赛灵思Zynq™ 系列产品深圳发布会上,面对笔者的提问,赛灵思公司全球市场营销及业务开发高级副总裁 Vin Ratford明确地强调,“处理系统与可编程逻辑的紧密集成不仅能有效降低系统材料清单成本、功耗与尺寸,而且还能作为‘创新引擎’,推动创新应用的发展,将传统 FPGA 技术市场向嵌入式系统领域大幅扩展!”

三年前,赛灵思总裁兼CEO Moshe Gavrielov在走马上任后喊出了“可编程势在必行”的口号,很多人认为这是一种产品推广策略,而今,三年过去了,可编程器件已经成为嵌入式工程师学习的重要器件,可编程器件也从高端的军用、航天、通信走入消费电子领域。现在,赛灵思再次引领了嵌入式处理器的变革,“Zynq™ 系列代表了一种新的处理器架构,我相信今年我们就会有很多竞争对手出现。” Vin Ratford指出。

一、Zynq-7000 系列产品揭秘

关于Zynq-7000 系列产品每个人首先想到的问题或许是“Zynq这个名称究竟是什么意思?”这个词很容易让人联想到 zinc,也就是电池、日光屏、合金制品和药品中最常见的化学元素锌。锌与其他金属的合金可实现增强型功能,根据合金的不同对象表现为不同的色彩。锌最常见的用途就是电镀。那么这个名称与电镀之间有什么联系?

显然,赛灵思希望通过这个产品,赛灵思联盟计划生态系统和 ARM互联社区的成员提供的软件开发与硬件设计实现工具、广泛采用的操作系统、调试器、IP及其他元素的工具就好像“电镀”在一起一样,从而使可扩展处理平台成为了可能。

以提供FPGA器件著称的赛灵思公司强调Zynq-7000 系列产品不再是一个FPGA产品了。为什么?可以看看它的架构。

Zynq-7000 系列产品架构

其主核心部分为用带有NEON及双精度浮点引擎的双核 ARM Cortex-A9 MPCore 处理系统,该系统通过硬连线完成了包括L1,L2 缓存、存储器控制器以及常用外设在内的全面集成。该处理系统不仅能在开机时启动并运行各种独立于可编程逻辑的操作系统 (OS),而且还可根据需要配置可编程逻辑。利用这种方法,它的开发模式和功能特点与一个标准的 ARM 处理器几乎一模一样,所不同的是,它有一个强大的28nm FPGA来做协处理器,而一般的通用嵌入式处理器则是选择用硬件加速电路来实现特定的功能例如音视频编解码、3D处理器等等,简而言之,这是一个基于ARM Cortex-A9 MPCore内核用FPGA做硬件加速处理的嵌入式处理器!

这里用一个TI发布的OMAP4来说明可以看到其内核也是Cortex-A9 MPCore,不过它是用一些硬件电路实现了3D或者高清数据流的处理。

OMAP4

一个嵌入式处理器当然少不了外围器件和I/O,这也是FPGA的强项――至今还有很多FPGA用于扩展系统的I/O口,Zynq-7000系列产品外围参数如下:

该处理系统包括Snoop Control Unit、L2 缓存控制器、片上SRAM、定时器/计数器、DMA、系统控制寄存器、器件配置和 ARM CoreSight™ 系统。就调试而言,其包含了嵌入式跟踪缓冲器 (ETB)、指令跟踪宏单元 (ITM) 和 ARM 提供的Cross Trigger module (CTI)。除了上述之外,它还包含了赛灵思提供的AXI Monitor (AXIM) 和 Fabric Trace (FTM) 模块。

Zynq-7000系列产品首先问世四个器件,最小型的 Zynq-7000、Zynq-7010和Zynq-7020 均基于专门针对低成本和低功耗优化的 Artix®-7 系列;较大型的 Zynq-7030 和 Zynq-7040 器件基于包括 4 至 12 个 10.3 Gbps 收发器通道,可支持高速片外连接的中端 Kintex®-7 系列。所有四款产品均采用基于 2 个 12 位 1Msps ADC(模数转换器)模块的新型模拟混合信号模块。Zynq-7030 和Zynq-7040有更多逻辑资源,这两个较大的器件均具备高速低功耗的串行连接功能,其内置的千兆位级收发器运行速度高达 10.3125 Gbps。这两款产品分别提供相当约 190 万和 350 万个 ASIC 门(即 125,000和 235,000 个逻辑单元),DSP 峰值性能分别达 480 GMAC 和 912 GMAC。Zynq-7010 和 Zynq-7020 这两款较小的器件分别提供约 43 万和 130 万个 ASIC 门(即 30,000和85,000 个逻辑单元),DSP 峰值性能分别为 58 GMAC 和 158 GMAC。

每款器件包含一个通用模数转换器 (XADC) 接口,而该接口又包含 2 个 12 位 1 Msps ADC以及多个片上传感器和外部模拟输入通道。XADC比前代 Virtex® FPGA 的系统监控器具有增强型功能。两个 12 位 ADC 支持的采样率高达每秒 100 万次,而且能对多达17 个外部输入模拟通道进行采样。ADC 支持丰富的应用,能满足这些应用在带宽不到500 KHz条件下处理模拟信号的要求。

如下图所示,Zynq-7000系列有350个多标准和高性能I/O口,这个数量是惊人的!


在存储器接口方面,可以支持DDR3以及USB2.0、NOR/NAND等主流标准。
在产品内部,通过AMBA®-AXI总线能以极低的功耗支持千兆位级数据传输,从而解决了控制、数据、I/O 和存储器之间的常见性能瓶颈问题。“一些业界也有的‘处理器内核+FPGA’的方案通常在处理器和FPGA之间用PCIE总线,这样大大延迟了数据的传输。”Vin 指出。

二、Zynq-7000 系列主攻蓝海市场
不过,传统处理器厂商不必为赛灵思的这个新进对手而不安,因为Zynq-7000 系列主攻的是一个新兴的蓝海市场,这就是需要高性能实时处理的汽车驾驶员辅助系统、智能视频监控、广播级摄像机、高端工业应用、航空航天应用等。Vin表示,这个新兴市场单个处理器不能满足需求,单个ASIC或者ASSP也不能满足需求,甚至单个FPGA也不能满足需求,因为这些应用需要实时进行大量数据的处理以及快速的控制响应。这个市场在2014年的规模可以达到127亿美元!

高性能实时处理

当然,由于Zynq-7000 系列产品实际上是ARM Cortex-A9 MPCore处理器,其应用领域可以延伸到很多嵌入式领域,Vin表示目前Zynq-7000 系列支持linux OS,未来还会支持Android平台,这意味着它可以延伸到的更多应用。“Zynq-7000 系列可以用于平板电脑,不过目前主要应用于军用级别和航天等行业应用,我们主要瞄准特定应用中的平板电脑。”他强调。

三、Zynq-7000 系列产品的开发
说到这里,可能很多工程师对Zynq-7000 系列产品有已经有浓厚的兴趣了,Zynq-7000 系列产品柔如何开发?

开发

Zynq-7000 系列产品能在开机时启动并运行各种独立于可编程逻辑的操作系统 (OS),而且还可根据需要配置可编程逻辑。它的开发和全功能标准 ARM 处理 器开发毫无二致。


Zynq-7000 系列提供了一个开放式设计环境,便于可编程逻辑中双核 Cortex-A9 MPCore 和定制加速器的并行开发,软件开发人员可以充分利用基于 Eclipse 的Xilinx Platform Studio 软件开发套件 (SDK)、ARM 的 DS-5 和 ARM Real View Design Suite (RVDS),或 ARM 互联社区和赛灵思联盟计划生态系统的领先厂商(诸如 Lauterbach、Wind River、PetaLogix、MathWorks、MentorGraphics、Micrium 和 MontaVista 等)提供的编译器、调试器和应用。

此外,赛灵思ISE® 设计套件也提供了包括开发工具、AMB4 AXI4 即插即用IP 核和总线功能模型 (BFM) 等在内的完整硬件开发环境,有助于加速设计和验证工作。2011年1月31日,赛灵思收购了高级综合技术领先公司AutoESL,该公司的工具也会用于Zynq-7000器件的开发。

Vin 强调Zynq-7000器件的开发上软硬件设计人员可以实现互动来创建设计,由于可扩展处理平台处理系统在重设时启动并能访问可编程逻辑结构,因此软件开发人员一开始就能在处理系统上移植和运行应用程序代码,包括需要操作系统的应用。

这段视频是Vin介绍Zynq-7000器件的开发

高性能加速器或更多外设即便不是硬连线处理系统的一部分,只要由硬件开发人员实现后,软件开发人员就能使用这些高性能加速器和外设。这些高性能加速器和外设将存在于可编程逻辑中,可作为系统中的可寻址存储器空间访问。硬件设计人员将能够自动生成报头文件 (header file),获得新外设的存储器映射,而软件开发人员则能在环境中直接加以使用。

硬件开发人员还可通过 Xilinx Platform Studio (XPS) 以及随ISE 设计套件嵌入式版本提供的嵌入式开发套件来使用赛灵思及第三方提供的一系列可用嵌入式 IP 核,从而构建加速器和外设。此外,硬件设计人员也可充分发挥丰富的 Core Generator IP 库作用,下载非嵌入式加速器和/或使用赛灵思设计工具来构建自己的定制加速器和外设。

Vin透露Zynq-7000 系列低端产品的价格是15美元,高端产品是100美元左右,“这很有竞争力!”他强调。如果了解目前嵌入式A9处理器的价格,就知道这个价格是很有杀伤力的。

Zynq-7000 系列早期样片将于 2011 年下半年推出,2012 年上半年将推出工程样片。如需了解更多信息,敬请访问以下网址: www.xilinx.com/cn/zynq
一个新的嵌入式处理器时代开始了,这次,谁将引领风骚呢?