ARM 穿上 FPGA 的马甲,为什么取名“Zynq”

Zynq 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?

 

 

在 2010 年 4 月硅谷举行的嵌入式系统大会上,赛灵思发布了可扩展处理平台的架构详情,这款基于无处不在的 ARM 处理器的 SoC 可满足复杂嵌入式系统的高性能、低功耗和多核处理能力要求。赛灵思可扩展处理平台芯片硬件的核心本质就是将通用基础双 ARM Cortex-A9 MPCore 处理器系统作为“主系统”,结合低功耗 28nm 工艺技术,以实现高度的灵活性、强大的配置功能和高性能。由于该新型器件的可编程逻辑部分基于赛灵思 28nm 7 系列 FPGA,因此该系列产品的名称中添加了“7000”,以保持与 7 系列 FPGA 的一致性,同时也方便日后本系列新产品的命名。

 

除了芯片外,赛灵思 Zynq-7000 系列还构成了最终平台产品的基础。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。

 

 

通信市场萎缩,FPGA 柳暗花明又一村

曾经 FPGA 在通信市场红极一时,一些网络包转发,分发,地址替换,无线协议的算法,全部是由 FPGA 实现的;但是随着 ASIC 的发展,网络处理器性能越来越强大,并且内部集成大量网络硬件资源。一些通信厂家,如华为,在芯片领域发力,FPGA 在通信市场往往只沦为第一代产品的验证。

 

现在,随着工业自动化走向智能工业,以及一些深度学习算法需求发展,大数据加速,FPGA 又找到一个用武之地。

 

随着赛灵思公司推出 28nm Zynq-7000 All Programmable SoC 以后,FPGA 在工业应用大有加速之势,赛灵思工业级客户增长非常迅猛,其数量远超通信客户。赛灵思 Zynq 器件在智能化工业自动化领域大显身手,它将给工业应用带来哪些深刻变革?

 

工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。工业自动化涉及机械、微电子、计算机等技术领域,工业自动化需要完成信息的采集、处理、分析、传输和控制等,传统上,工业自动化不需要非常领先的半导体技术产品,但是,随着智能工厂、智能工业自动化的兴起,工业自动化也开始采用最新的技术了。

 

马达控制为例说明在采用 FPGA 以后,控制环路的速度可以提升 15 倍以上!这意味着可以实现高效精准的控制,而这样也是符合节能减排的趋势。

 

 

FPGA 在工业应用关注四大领域:马达控制、工业网络、机器视觉和工业安全。在马达控制方面,设计师关注的要点是降低噪音、减少震动 、降低 EMI、更高精度、减少能源消耗和安全性,他们面临的挑战是如何实现差异化、如何降低系统总成本、如何应对系统复杂功能以及如何提升系统的安全性。 而 FPGA 所具备的特点恰好可以解决这些难题,FPGA 在马达控制的优势可以总结为降低系统总成本、增加方案的灵活性,通过扩展方案的接口延长方案应用周期以及提升系统性能。

 

FPGA 擅长并行处理,所以对于需要进行多个马达控制的领域,比传统的 MCU+DSP 方案优势明显很多。

 

 

ZYNQ:2.5us     MCU:55us

 

 

FPGA 在工业网络中的优势是支持缆线和实时网络协定、整合网络和定制功能以降低物料清单(BOM)成本、丰富的 IO 和逻辑元件支持多协议的转换、具备低延迟效能的高集成度、成熟的开发板和参考设计缩短开发时间、支持超长生命周期方案以及整合多种网络安全功能等等。对于支持超长生命周期方案,我深有体会,我们的有的客户还在使用我们十年前的产品,对他们的需求我们依然提供支持和服务。

 

 

SoC-e 公司在 Zynq-7000 All Programmable SoC 上实现高可靠无缝冗余协议(HSR)和并行冗余协议(PRP),该方案具有高精度时序功能,可以应用于如电力自动化、变电站等智能电网领域还可以应用到高铁等轨道交通领域,比相比传统的 RSTP、MSTP 或私有环网保护技术,它可以实现真正“零丢包”、“零切换”的网络冗余保护技术。

 

视觉识别在汽车驾驶辅助系统(ADAS)的应用

Xylon 和赛灵思刚刚宣布推出一款新的 ADAS(高级驾驶辅助系统)开发套件,它可以实现基于多台车载摄像机视频流进行融合的驾驶辅助系统的开发。

 

 

您是否看过奥迪自动停车技术演示,轿车无需驾驶员干预,便可自动找到停车位并停泊。您是否使用 Kinect 控制器玩过 Xbox 360 游戏。

 

如果有,那您可能就是 Smarter 视觉系统时代到来的见证人了。从最高级电子系统到普通苹果,Smarter 视觉技术影响着各种形式的产品。虽然当今各种系统已足以让人称奇,但一些专家预测未来 10 年,从汽车到工厂自动化、医疗、监控、消费、航空航天与国防的绝大多数电子系统,都将包含功能更加出色的 Smarter 视觉技术。

 

随着 Smarter 视觉系统高级程度的提高,我们很可能有机会乘坐网络化高速公路中川流不息的自动驾驶汽车。直觉外科等医疗设备令人惊讶的机器人辅助外科系统将进一步发展,可帮助外科医生实施远程外科手术。电视与网真将达到新的身临其境及互动水平,而电影院、家庭及店铺屏幕上显示的内容则将迎合每个消费者的兴趣,甚至是我们的情绪。

 

 

 

先进的视频系统不但可增强和分析图像,而且还可根据这些分析触发行动,从而显著控制了计算功能需求

 

Smarter 视觉的赛灵思 All Programmable 解决方案处于这次革命的前沿。赛灵思以首款在单个芯片上整合 ARM 双核 CortexTM-A9 MPCORETM、可编程逻辑以及各种重要外设的器件 ZynqTM-7000 All Programmable SoC 为基础,已推出一款工具与 IP 的支持性基础架构,其将在实现这些视觉创新开发与加速交付的过程中发挥重要作用。该支持性基础架构包含 VivadoTM HLS(高级综合)、全新 IP Integrator 工具、OpenCV(计算机视觉)库、SmartCORETM IP 以及专用开发套件。

 

Zynq 为什么选择 A9?

Xilinx 为何选择了跟 ARM 合作,来开发一个双核的 Cortex-A9 MPCore 处理器?因为 ARM 处理器在业界领先,已被客户广泛采用,还有其总体生态环境、支持工具都比较成熟。

 

经过 20 年的发展,在处理器世界中,尽管处理器的用量越来越大,但主流平台的数量越来越少,美国《Microprocessor Forum》杂志认为,1992 年活跃着众多的处理器平台(图 2),但是 2009 年只有四大主流平台:ARM,x86,PPC(PowerPC)和 MIPS 平台。其中 ARM 以生态环境丰富成为瞩目的热点之一。ARM 总裁 Tudor Brown 称,ARM 全球有合作伙伴 900 家企业,合作伙伴的势头发展良好(图 3)。并承诺:“今后,ARM 将持续地在产品路线图上和伙伴关系上投资,保证客户有强大的渠道和生态系统。”

 

 

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 的整合是化学反应:1+1>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%。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”。但是开发者并不满足于此,或者说现有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。

 

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。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。FPGA+CPU 的双芯片方案。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。

 

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 已经来了一段时间了。但是随着物联网、智能工业等领域的发展,让 ARM 穿上 FPGA 的马甲,势必会演一出更精彩的好戏。