1、Xilinx可擴展處理平臺ZYNQ嵌入式處理器與FPGA集成的獨特創舉摘要：Xilinx的EPPH擴展處理平臺）一一 Zynq-7000系列將業界標準的 ARM雙核Cortex-A9 MPCore處理系統與Xilinx可擴展的28nm FPG躲構整 合在一起，在單一芯片上集成了 “嵌入式處理器+FPGA”等性能。關鍵詞：Zynq； EPP； Cortex-A9 MPCore； 28nm引言全球可編程平臺領導廠商賽靈思（Xilinx冰司今年 的市場重點是28nm的7系列產品及Zynq。不久前， Xilinx公司才宣布開始向客戶出貨首款 Zynq可擴展處 理平臺（EPP）那么，Zynq是什么樣的產

2、品？為何Xilinx 稱“Zynq為Xilinx打開了新的篇章，同時為整個嵌入 式行業和FPGA#也打開了新的篇章” ？28nm FPGA勺優勢首先，Zynq是基于28nm制程的FPGA Xilinx的 全球總裁兼 CEOMoshe Gavrielo才甘出，以28nm制程 來看，ASICf ASSP勺一次性費用（NRE將高達5000萬 美元，若重新設計還得再付擔原費用的50。此外，隨著全球化趨勢及網絡的普及，競爭者不再只是本國而是來自全世界的搶食，系統對產品設計性價比的考量也更加嚴峻。因此，獨特性及靈活性成為大多數廠商設計考量的著眼點。因此， 以靈活性、上市快及較低成本取勝的FPGA處于健康的

3、增長態勢（圖 1）。ARM的A9 MPCore受到熱捧Xilinx為何選擇了跟ARM合作，來開發一個雙核的Cortex-A9 MPCore處理器？因為ARM處理器在業界領先，已被客戶廣泛采用，還有其總體生態環境、支持工具都比較成熟。經過 20 年的發展，在處理器世界中，盡管處理器的用量越來越大，但主流平臺的數量越來越少，美國 Microprocessor Forum 雜志認為，1992 年活躍著眾多的處理器平臺（圖 2），但是2009 年只有四大主流平臺：ARM, x86, PPC（PowerPC） MIPS平臺。其中 ARM以生態環境豐富成為矚目的熱點之一。ARM 總裁Tudor Brown

4、稱，ARM全球有合作伙伴 900家企業，合作伙伴的勢頭發展良好（圖 3）。 并承諾： “今后， ARM將持續地在產品路線圖上和伙伴關系上投資，保證客戶有強大的渠道和生態系統。”盡管ARM9和ARM7是ARM全世界授權量最多的（圖4）,也是出貨量最大的：但是Cortex-A系列是所有系更里面增長速度最快的，甚至超過M 系列。除了 Xilinx的Zynq家族外，很多公司已經或正在 做基于Cortex-A9的創新，智能手機、平板電腦、3D TV; 網絡SoC保統芯片）、網絡服務器、超級計算機。這些企業之所以選擇 A9,因為它是ARM處理器 系列中較高性能的一款產品，采用了 ARMv7架構。A9 處理

5、器的設計是基于先進的推測型八級流水線（speculating 8-stage pipeline） 該流水線具有高效、動態長度、多發射超標量及無序完成特征，因此這款處理器的性能、功效和功能均達到了高水平，能夠滿足消費、 網絡、 企業和移動應用等領域尖端產品的要求。處理器+FPGA1合：1+1>2市場調查表明，FPGA目前在全部嵌入式系統中的 使用比例占50%70%。因此這個市場非常巨大，而 通常的工程方案是“嵌入式處理器+FPGA”。 “但是我們的客戶并不滿足于此，或者說在客戶的應用里目前 的器件都不能滿足他們的需求，無論是傳統的單個處理器、單個FPGA ASIC或者是ASSP特別是對于軟

6、 件開發公司來說，對FPGA®程相當困難。我們發現 到2014年有約127億美元的市場是傳統FPGA<法服 務的。" Xilinx全球市場營銷高級副總裁 Vin Ratford說 道。當前的四大挑戰是：提高系統性能，降低系統功耗，減少電路板的面積，降低總體系統的成本。而一塊Zynq器件就可以實現“嵌入式處理器 +FPGA功能。尤其Zynq不是僅僅把FPGA艮處理器 簡單地集成在一起，更是兩者的有機結合。如圖5，傳統的FPGA與處理器之間的互聯是 PCIe等，而Zynq 采用了 AXI4連接總線，這樣的布局可以在 FPGA與處 理器之間形成很寬的帶寬。圖5 上方是雙芯片

7、方案。可以看到FPGA與處理器中間互聯利用PCIe的互聯帶 寬較窄，而且PCIe通道也較少，這意味著有時超過一 半的FPGA會用來支持帶寬：并且兩個器件分別接著 外帶的存儲器。圖5下方可以看到使用Zynq后，可以 把中間的PCIe連接取走，再加上存儲器可以和 FPGA 分享，這樣可以大大降低成本和功耗。ARM 中國總裁吳雄昂指出： “眾所周知，新一代的系統處理，不只是CPU的功能，接口的處理能力在很大程度上決定了整個系統的應用能力。所以我們往 往看到同樣一個設計，因為良好的接口的融合，功能 會相差50%。我們很高興Xilinx的Zynq在新的AMBAAXI4（Advanced eXtensib

8、le Interface 4接口上達到了很 ）高的數據吞吐能力。”Zynq以ARM為核心Zynq盡管是由FPGA廠商一Xilinx主導的，但Xilinx 稱其是全新的EPP（7擴展處理平臺），應用時，Zynq 上電后處理系統會自動啟動，而不會是FPGM啟動。實際上，Zynq-7000系列具有完整的ARM處理系 統（圖6）,是以ARM Cortex-A9MPCore為中心，還集成 了存儲器控制器和外設：另外，緊密集成可編程邏輯方面，圖6的黃色部分是FPGA它們之間約有3000個內部互連，內部互連十倍于現有的雙芯片方案；除此之外， 有靈活的I O 陣列， 包括處理器專用I O，可以支持多重標準的I

9、/O,還集成了高性能串行收發 器， 雙 12 位的模數轉換器的輸入部分，輸入可以直接接到器件混模的架構里。該器件的軟硬件都可以編程，如果是處理器的開發人員，可以用處理器軟件來做開發，擴展到它的硬件FPGA的部分；如果是硬件的工程師，可以用 FPGA 做硬件加速器。Zynq-7000的ARM處理系統包括 ARM 雙 Cortex-A9 MPCore、 存儲器接口和通用外設三部分，并用AXI4實現開放式的標準互聯。具體來看，Zynq處理器的ARM內核架構帶NEON 擴展的雙ARM Cortex-A9 MPCore這種架構專門用于 支持圖形應用或者是圖形加速器，支持單、雙精度浮點運算，工作頻率可達到

10、800MHz。存儲器的接口也是對應可以支持DDR2、 DDK3、LPDDR2 ZxQSPJ NOR NAND 閃存，內含了 L1 和L2的高速緩存，總量可以達到512KB,同時還有片 上的 256KB 存儲器。通用外設具有集成的存儲器映射外設。另外還有強大的AXI4開放式標準互聯。AXI4是高帶寬、低延時 的行業標準，是ARM自己定義的AMBA第四代總線架 構，專門用作連接ARM的處理器、外設和FPGA而 且帶有ACP的端口，此端口讓開發工程師可以增加更 多的軟核處理器。整個處理系統是可以單獨啟動的， 也就是說，軟件工程師可以完全地對處理器編程，而不需要硬件工程師的協助。Zynq的應用在Zyn

11、q的四個系列里，7010和7020針對較低端的應用，像消費類或者是汽車輔助駕駛應用等，7030和 7045 針對工業、通訊、國防、廣播級的應用等。其中，2011年初暫定為Zynq-7040的型號現被7045 取代，主要是為了滿足有線、無線和視頻廣播市場領域客戶新的高端應用需求，并將當前該系列采用12.5 Gbps技術的收發器數量增加至16個。這將實現 更多的橋接應用，并實現更寬的高速DAQZADC連接。 新增的可編程邏輯功能（DSP BRAM和邏輯）可為設計 人員帶來更高的信號處理能力，以滿足濾波、數字轉換以及其它功能要求，同時還能靈活地定制各種特定功能。Zynq-7045是Zynq系列的首款

12、高端器件，其應用范圍從下可以擁有30,000邏輯單元，專門針對成本敏感型應用如工業、汽車電子以及消費類電子，從上邏輯單元可達350,000個，幫助客戶在單一可擴展平臺上，實現需要最高容量及性能的多種應用。“客戶會根據不同的應用選用不同的器件，甚至同時選用多個器件，這就體現了在Xilinx的7系列里，統一架構的優勢可以在不同的平臺上無縫移植IP。 ”Vin說道。而Zynq器件最便宜的低于15美元。具體應用方案，以Zynq用于汽車駕駛員輔助為例（圖 7），據統計，駕駛員20 分鐘就會有疲勞現象，效率降低，智能的好處可以兼顧多畫面和攝像頭。例如一些汽車里的 “鳥眼”360°控制雷達，可以把

13、很多圖像連在一起，開車時駕駛員可以觀察到360°廣角的情況。Zynq可以支持包括用視頻攝像頭去配合紅外傳感器和雷達傳感器看不同的路面狀況，比如是否壓線、走出路面等，然后做出調整。 “無論是價格低廉的大眾還是高端的奔馳類汽車，7010 和 7020 都可以發揮效能。 ” Vin 稱。在工廠自動化方面，Zynq的靈活性可以滿足系統上市時間的需求，同時提供系統內編程的功能，讓客戶在單一的平臺上可以支持更多的標準，而功耗和成本可以滿足需求。從性能來講，它可以實施工業聯網 和電機控制硬件加速器，并提供高帶寬、低延時。Cortex-A9與 MicroBlaze互補那么，Xilinx的傳統處理器核

14、 MicroBlaze軟核 與PowerPC硬核的未來會如何？據悉，Xilinx的32位軟 核MicroBlaze還在使用，但與ARMCortex-A9定位不同。 MicroBlaze是相對較小、性能較低的核，二者所針對 的應用領域也不一樣。Xilinx將繼續發展 MicroBlaze。未來PowerPC不會在Xilinx的新產品中出現，但 是現在還會繼續支持原有的客戶。Zynq定位更高的應用價值Zynq會與其他Cortex-A9 ASS優爭嗎？Xilinx認為 不會直接競爭，因為“不是Xilinx的目標市場"。Xilinx 全球高級副總裁兼亞太區執行總裁湯立人稱。“ Xilinx的

15、產品是可擴展處理平臺（EPP）而傳統的A9產品已 經是定制好的，例如已經集成了一定的存儲、PCIe等。' 但由于Zynq把FPGAi1輯與ARM連接在一起，用戶 可以集中精力在算法而不是硬件方面，并隨時將這套算法移植到其他硬件上，用戶只需要掌握相關應用領域的技能就可以設計了。傳統A9的程序可以直接轉到Zynq上；一些傳統的 A9 無法實現的功能，例如高清轉化，仍然可以轉到Zynq上，并且將復雜的轉化部分放到 FPGA中進行, 來實現傳統方法達不到的功能。多核與單核架構的優勢Cortex-A9微架構提供兩種選項：可擴展的Cortex-A9 MPCore多核處理器，或較為傳統的 Corte

16、x-A9單核處理器。ARM 吳雄昂指出，采用多核處理器架構不但能夠解決峰值性能的要求，而且其設計也能夠大大降低功耗。多核設備具有性能可擴展性高和功耗低的特點，為設計提供了極大的靈活性。多核今后一個重要的挑戰就是怎樣從應用軟件上來利用多核的優勢。就好比人有兩個大腦半球區，所謂一心二用，所以如果你的軟件系統沒法真的是一心二用，多核的意義就不是很大的。另外一個問題是針對你做事情的類型，如果是做一個比較連續性的計算，后面的結果一定要根據前面計算的結果才能往下走。這種情況下多核的幫助是非常小的。所以Cortex-A8和A9的最大區別，是像A9這種設計本來就 是給多核的，它有SMP附稱多處理技術），對于A

17、ndroid 等操作系統（OS）可以自動在軟件上來做負載均衡， 以分配需要工作的任務。因為有很多不同處理任務在后臺，你可通過SMP共享一個物理存儲的cached存）。 這樣用戶的軟件的性能才能夠比較有效地利用。例如對于雙核的網絡應用，如果有 SMP,基本利用率會達到 80 -90，即放了兩個核，雙核的處理能力實際上提高到了 1.81.9倍。如果放了 4核以后，那么現 在環境OS對4核的支持是相對比較弱的，可能實際 上最后只有3 甚至不到，因為其軟件不見得有能力去充分利用4 核；同時你做的事情也不見得正好有4 項是同時進行的，所以一方面取決于你去執行的任務，一方面取決于系統架構。所以多核CPU本

18、身設計時已 有SMP,從OS角度已經基本被認同，應用者不需要 再做任何的編程工作。但是如果放3個A8以后，很大的問題就是OS只認一個，所以其它兩個核很難分享負載，因為你沒法 去改軟件應用。軟件開發工具的創新可見，平臺軟件和工具軟件也是實現芯片性能的重要一關。尤其在處理平臺趨同與整合后，軟件的復雜度越來越高，遠遠超過了硬件。軟件工程師數量也已超過硬件工程師數量的Xilinx公司，非常注重在工具和軟件上的創新。2012 年其開發工具將更新換代，推出更加智能、圖形化的流程；Xilinx還會加強推廣 AutoESL高層次綜合設計流程（注：2011年Xilinx收購 了 AutoESL。）例如，智能交通管理系統通過攝像頭拍下畫面，之后需要視頻分析算法，將標清視頻轉換為高清視頻。這是一個動態實施的過程，需要用 FPGA硬件加速來 實現。而傳統是通過硬件描述語言（HDL來實現。開發 流程很長。現在，通過 AutoESL的工具，用C、C+1 立模型，并將模型轉換為具體的應用。那么Zynq開發的時候，用ARM開發、導入FPGA 進行硬件加速，需要用到什么工具？Xilinx高級總監 DevadasVarma,傳統流程就可以實現，不過A