Семейство фирмы Xilinx

рис. 4. Маршрут проектирования устройств на базе Zynq-700090

Действительно, проанализировав  возможности программируемых ресурсов Zynq-7000, нетрудно представить, что превращать такие микросхемы в еще одну разновидность  микроконтроллера с ядром ARM попросту нецелесообразно. Видимо, неправильным было бы и полностью разделять работу ядер ARM и программируемой части микросхемы. Более рациональным решением представляется более или менее тесная интеграция стандартной, процессорной  части кристалла и программируемой, выполняющей нестандартные операции путем загрузки соответствующей конфигурации, или массово-параллельные вычисления, ускоряющие работу ядер ARM.Поиск способов такой интеграции, идентификация задач для их аппаратного ускорения и является работой системного архитектора.

Характеристики ядра ARM в составе Zynq-7000:

• Ядро: сдвоенное Cortex-A9, тактовая часто-

та 800 МГц.

•  Расширения ядра: NEON, плавающая точка

одинарной и двойной  точности.

• Кэш первого уровня: 32кбайт инструкций,

32 кбайт данных на  каждое ядро.

• Кэш второго уровня: 512 кбайт.

•  Накристальная память: 256 кбайт.

•  Поддержка внешней памяти: DDR2, DDR3,

LPDDR2.

• Каналов ПДП— 8.

•  Периферия:

– USB 2.0 (OTG) c ПДП— 2;

– трехрежимный Etnernet c ПДП— 2;

– SD/SDIO с ПДП— 2;

– UART— 2;

– CAN 2.0B— 2;

– IC— 2;

– SPI— 2;

– GPIO— 32 бита.

• Шифрование— AES и SHA 256 бит.

•  Мультиплексируемых линий памяти ивво-

да/вывода— 54.

•  Интерфейсы кпрограммируемым ресурсам:

– AXI 32 бита Master— 2;

– AXI 32 бита Slave— 2;

– AXI 64/32бита, интерфейс  спамятью— 4;

– AXI 64 бита ACP;

– прерываний— 16.

 

 

 

 

 

 

 

11.3 архитектура ПЛИс Zynq-7000 и состав семейства

Взаимодействие процессорных ядер ARM с программируемыми ресурсами  схематично показано на рис. 5.

рис. 5. Структура ядра ARM иего взаимодействие с периферийными  устройствами ипрограммируемыми ресурсами  ПЛИС

На нем видно, что  процессорный комплекс (понимая под  этим термином оба ядра ARM с соответствующими шинами) взаимодействует с памятью  и накристальной периферией без  привлечения ресурсов программируемой  логики, которая выступает в качестве аппаратной платформы для реализации дополнительных периферийных устройств и ускорителей вычислений, как стандартных, так и специальных, разрабатываемых для конкретного проекта. Представляется, что именно специально разрабатываемые ускорители и периферия могли бы стать теми компонентами, которые определят потребительскую привлекательность устройства, поскольку устройства на базе ARM в настоящее время распространены весьма широко, и обеспечить конкурентное преимущество, концентрируясь на функциях, реализуемых программным обеспечением и периферией ARM, достаточно сложно. С другой стороны, реализовав параллельно работающую высокопроизводительную цифровую вычислительную систему на базе блоков цифровой обработки сигналов,можно использовать ARM в качестве аппаратной платформы для запуска пользовательского интерфейса, поддержки ОС (в числе которых можно упомянуть Linux иWindows CE), а также обработки аппаратных интерфейсов, реализация которых вПЛИС потребовала бы привлечения дополнительных ресурсов — Ethernet, USB, CAN.Характеристики ПЛИС, которые в ближайшее время поступят в производство, представлены в таблице.

Таблица. Состав семейства Zynq-7000

Можно предполагать, что  приведенные характеристики не являются окончательными, поскольку в астоящее время нет достоверной информации о начале производства и поставок как образцов, так и серийной продукции микросхем Zynq-7000.

Микросхемы Zynq-7010 и Zynq-7020 выполнены на базе программируемых  ресурсов  семейства Artix, а Zynq-7030 и Zynq-7040—  на базе Kintex. Это отражается на пиковой  производительности подсистемы цифровой обработки сигналов: в младших ПЛИС тактовая частота блока ниже. Также в младших ПЛИС нет блоков PCI Express и высокоскоростных приемопередатчиков.

 

 

 

11.4 Примеры проектов  на базе Zynq-7000, демонстрируемыеXilinx

Для обработки видео в системах широковещательной передачи Zynq-7000 обеспечивают необходимую полосу пропускания данных. Использование процессорной системы (рис. 6) позволяет не только обеспечить выполнение всех требуемых операций, но и уменьшает потребляемую мощность и общую стоимость системы.

рис. 6. Система широковещательной  передачи данных с видеокамеры91

Двухъядерного процессора ARM Cortex-A9 с расширениями NEON и плавающей  точкой двойной точности достаточно для реализации алгоритмов кодирования  видео в стандартах MPEG-2, H.264. Программируемая логика с большим количеством блоков DSP48 обеспечивает аппаратное ускорение часто используемых при кодировании видео операций, разгружая процессорную систему.

Следующая область применения Zynq-7000, демонстрируемая Xilinx,— это  управление электроприводами (рис. 7).

рис. 7. Система управления двигателем

В данном случае конфигурируемые  ресурсы FPGA позволяют реализовать  модули, обеспечивающие реакцию на внешние события в реальном времени. Это важно для систем подобного  класса, где с целью обеспечения  надежности могут быть применены различные датчики, контролирующие достижение предельных для силовой части системы параметров— тока, температуры, координат, вращающего момента и т.п. Как правило, срабатывание таких датчиков должно приводить к мгновенной блокировке силовой части системы во избежание выхода из строя привода или силовых электронных компонентов. Конечно, такая блокировка может быть выполнена и управляющим процессором, однако следует обратить внимание, что по мере добавления функций в программное обеспечение потенциально могут возникать ситуации, когда процессор не сможет обра-ботать запросы с датчиков системы защиты— например, если запрос приходит в момент, когда процессор обрабатывает прерывание с более высоким приоритетом. В этом случае необходимо иметь уверенность, что программисты, работающие над программным обеспечением системы управления, понимают особенности функционирования таких устройств и при всех модификациях ПО учитывают необходимость обработки запросов отподсистемы аппаратной защиты. В подобной ситуации существенно надежнее иметь модули, которые на аппаратном уровне обрабатывают запросы от датчиков, выполняя наиболее важные действия по блокировке силовой части привода. В этом случае просчеты программистов в процессе отладки изделия не будут иметь такого разрушительного эффекта, а требования к надежности программного обеспечения существенно облегчаются. Наконец, последний из примеров относится к автомобильным системам. В данном случае рассматривается, например, driver assistant, «помощник водителя», обеспечивающий в основном анализ изображений (рис. 8)— отслеживание разметки, объектов, формирование для водителя изображения с камеры заднего вида и т.д.

рис. 8. Система анализа  изображений в автомобильном  процессоре (driver assistant)92

При этом используется смена конфигурации FPGA, когда при различных режимах движения загружаются аппаратные ускорители функций, требуемых в данное время. Такая возможность является ключевой для FPGA, что позволяет при минимальных аппаратных затратах обеспечить выполнение целого набора операций, необходимых в разных режимах.В этой сфере полезным периферийным устройством является интерфейс CAN, наличие которого облегчает интеграцию Zynq-7000 в электронную систему автомобиля.

11.5 Доступность и рекомендации

Сейчас сложилась неоднозначная ситуация, когда информация и инструменты проектирования для FPGA, выполненных по технологии с нормами 28нм, существенно опережают сроки их возможного появления на рынке. Поэтому разработчики, планирующие использование этой элементной базы в своих проектах, находятся в сложном положении, испытывая определенное давление состороны потенциальных заказчиков, имеющих информацию охарактеристиках ПЛИС серии 7фирмы Xilinx. Исходя из рекомендаций официальных дистрибьюторов, можно настоятельно рекомендовать не планировать использование FPGA Zynq-7000, а также остальных ПЛИС серии 7 (Artix, Kintex, Virtex-7) в проектах, завершающихся в 2012 году. Несмотря на то, что сроки начала поставок могут быть и пересмотрены, это не снижает степень риска, поскольку даже поставки образцов отдельных микросхем запланированы только на 2012год.

Поэтому в настоящий  момент можно рассматривать семействаVirtex-6 и Spartan-6 в качестве основных, планируя освоение процессора ARM для будущего использования Zynq-7000. Можно также подчеркнуть, что архитектуры 6-й и7-й серий FPGAXilinx максимально приближены друг к другу, что позволяет уже сейчас моделировать решения, предназначенные для серии 7. При этом, однако, необходимо учитывать возможность изменения характеристик серийной продукции впроцессе уточнения производителем ее характеристик.

 

 

Заключение

Новое семейство FPGA открывает  принципиально новую линейку  продуктов фирмы Xilinx. Ранее аппаратные процессорные ядра принадлежали к семейству PowerPC и размещались в FPGA верхнего ценового диапазона. Однако производительность как вычислений, так и передачи данных в таких ПЛИС определялась в малой степени возможностями PowerPC и в существенно большей— возможностями матрицы программируемых ресурсов. Семейство Zynq-7000 стоит значительно ближе к ПЛИС начального уровня (уже потому, что младшие устройства основаны на программируемых ресурсах семейства Artix-7), поэтому роль процессора в них более заметна. В то же время мощные вычислительные возможности FPGA достаточно сильно отличают Zynq-7000 отмикроконтроллеров с ядром ARM, что позволяет ориентироваться при разработке на аппаратные ускорители. Сейчас можно использовать семейства Virtex-6 и Spartan-6, которые имеют ту же архитектуру программируемых ресурсов, что и ПЛИС серии 7. Поэтому аппаратные ускорители, разработанные для этих ПЛИС, можно будет перенести и в Zynq-7000.

Поддержка Zynq-7000 в ISE 13.1 отсутствует  и запланирована в последующих  обновлениях САПР. n

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы:

http://www.parallel.ru/fpga/cpld.html

http://ru.encydia.com/en/Xilinx

http://radiokot.ru/start/mcu_fpga/xilinx/01/

http://www.electronics.ru/files/article_pdf/1/article_1088_897.pdf

http://www.chipovod.ru/category/plis/xilinx/

http://www.referat-web.ru/content/referat/electronics/electronics110.php

http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/virtex-7/

http://catalog.gaw.ru/index.php?page=components_list&id=309&pg=21

http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/artix-7q.html

http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Xilinx/plis/xc9500/CoolRunner-II.htm

http://plis.ru/images/for_opis/24_117_Zinq.pdf