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ARM撞上FPGA,會擦出不一樣的火花?

2018-05-20
關鍵詞: ARM FPGA Zynq

  讓ARM穿上FPGA的馬甲,為什么取名“Zynq

  Zynq這個詞很容易讓人聯想到zinc,也就是電池、日光屏、合金制品和藥品中最常見的化學元素鋅。鋅與其他金屬的合金可實現增強型功能,根據合金的不同對象表現為不同的色彩。鋅最常見的用途就是電鍍。那么這個名稱與電鍍之間有什么聯系?

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  在2010年4月硅谷舉行的嵌入式系統大會上,賽靈思發布了可擴展處理平臺的架構詳情,這款基于無處不在的ARM處理器的SoC可滿足復雜嵌入式系統的高性能、低功耗和多核處理能力要求。賽靈思可擴展處理平臺芯片硬件的核心本質就是將通用基礎雙ARM Cortex-A9 MPCore處理器系統作為“主系統”,結合低功耗28nm工藝技術,以實現高度的靈活性、強大的配置功能和高性能。由于該新型器件的可編程邏輯部分基于賽靈思 28nm 7系列FPGA,因此該系列產品的名稱中添加了“7000”,以保持與7系列FPGA的一致性,同時也方便日后本系列新產品的命名。

  除了芯片外,賽靈思 Zynq-7000 系列還構成了最終平臺產品的基礎。賽靈思聯盟計劃生態系統和 ARM互聯社區的成員提供的軟件開發與硬件設計實現工具、廣泛采用的操作系統、調試器、IP及其他元素的工具就好像“電鍍”在一起一樣,從而使可擴展處理平臺成為了可能。

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  通信市場萎縮,FPGA柳暗花明又一村

  曾經FPGA在通信市場紅極一時,一些網絡包轉發,分發,地址替換,無線協議的算法,全部是由FPGA實現的;但是隨著ASIC的發展,網絡處理器性能越來越強大,并且內部集成大量網絡硬件資源。一些通信廠家,如華為,在芯片領域發力,FPGA在通信市場往往只淪為第一代產品的驗證。

  現在,隨著工業自動化走向智能工業,以及一些深度學習算法需求發展,大數據加速,FPGA又找到一個用武之地。

  隨著賽靈思公司推出28nm Zynq-7000 All Programmable SoC以后,FPGA在工業應用大有加速之勢,賽靈思工業級客戶增長非常迅猛,其數量遠超通信客戶。賽靈思Zynq器件在智能化工業自動化領域大顯身手,它將給工業應用帶來哪些深刻變革?

  工業自動化是機器設備或生產過程在不需要人工直接干預的情況下,按預期的目標實現測量、操縱等信息處理和過程控制的統稱。工業自動化涉及機械、微電子、計算機等技術領域,工業自動化需要完成信息的采集、處理、分析、傳輸和控制等,傳統上,工業自動化不需要非常領先的半導體技術產品,但是,隨著智能工廠、智能工業自動化的興起,工業自動化也開始采用最新的技術了。

  馬達控制為例說明在采用FPGA以后,控制環路的速度可以提升15倍以上!這意味著可以實現高效精準的控制,而這樣也是符合節能減排的趨勢。

  FPGA在工業應用關注四大領域:馬達控制、工業網絡、機器視覺和工業安全。在馬達控制方面,設計師關注的要點是降低噪音、減少震動 、降低EMI、更高精度、減少能源消耗和安全性,他們面臨的挑戰是如何實現差異化、如何降低系統總成本、如何應對系統復雜功能以及如何提升系統的安全性。 而FPGA所具備的特點恰好可以解決這些難題,FPGA在馬達控制的優勢可以總結為降低系統總成本、增加方案的靈活性,通過擴展方案的接口延長方案應用周期以及提升系統性能。

  FPGA擅長并行處理,所以對于需要進行多個馬達控制的領域,比傳統的MCU+DSP方案優勢明顯很多。

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  ZYNQ:2.5us     MCU:55us

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  FPGA在工業網絡中的優勢是支持纜線和實時網絡協定、整合網絡和定制功能以降低物料清單(BOM)成本、豐富的IO和邏輯元件支持多協議的轉換、具備低延遲效能的高集成度、成熟的開發板和參考設計縮短開發時間、支持超長生命周期方案以及整合多種網絡安全功能等等。對于支持超長生命周期方案,我深有體會,我們的有的客戶還在使用我們十年前的產品,對他們的需求我們依然提供支持和服務。

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  SoC-e公司在Zynq-7000 All Programmable SoC上實現高可靠無縫冗余協議(HSR)和并行冗余協議(PRP),該方案具有高精度時序功能,可以應用于如電力自動化、變電站等智能電網領域還可以應用到高鐵等軌道交通領域,比相比傳統的RSTP、MSTP或私有環網保護技術,它可以實現真正“零丟包”、“零切換”的網絡冗余保護技術。

  視覺識別在汽車駕駛輔助系統(ADAS)的應用

  Xylon和賽靈思剛剛宣布推出一款新的ADAS(高級駕駛輔助系統)開發套件,它可以實現基于多臺車載攝像機視頻流進行融合的駕駛輔助系統的開發。

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  您是否看過奧迪自動停車技術演示,轎車無需駕駛員干預,便可自動找到停車位并停泊。您是否使用Kinect控制器玩過Xbox 360游戲。

  如果有,那您可能就是Smarter視覺系統時代到來的見證人了。從最高級電子系統到普通蘋果,Smarter視覺技術影響著各種形式的產品。雖然當今各種系統已足以讓人稱奇,但一些專家預測未來10年,從汽車到工廠自動化、醫療、監控、消費、航空航天與國防的絕大多數電子系統,都將包含功能更加出色的Smarter視覺技術。

  隨著Smarter視覺系統高級程度的提高,我們很可能有機會乘坐網絡化高速公路中川流不息的自動駕駛汽車。直覺外科等醫療設備令人驚訝的機器人輔助外科系統將進一步發展,可幫助外科醫生實施遠程外科手術。電視與網真將達到新的身臨其境及互動水平,而電影院、家庭及店鋪屏幕上顯示的內容則將迎合每個消費者的興趣,甚至是我們的情緒。

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  先進的視頻系統不但可增強和分析圖像,而且還可根據這些分析觸發行動,從而顯著控制了計算功能需求

  Smarter視覺的賽靈思All Programmable解決方案處于這次革命的前沿。賽靈思以首款在單個芯片上整合ARM雙核CortexTM-A9 MPCORETM、可編程邏輯以及各種重要外設的器件ZynqTM-7000 All Programmable SoC為基礎,已推出一款工具與IP的支持性基礎架構,其將在實現這些視覺創新開發與加速交付的過程中發揮重要作用。該支持性基礎架構包含VivadoTM HLS(高級綜合)、全新IP Integrator工具、OpenCV(計算機視覺)庫、SmartCORETM IP以及專用開發套件。

  Zynq為什么選擇A9?

  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)和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。”

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  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系列是所有系列里面增長速度最快的,甚至超過M系列。

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  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(系統芯片)、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+FPGA的整合是化學反應: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”。但是開發者并不滿足于此,或者說現有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,特別是對于軟件開發公司來說,對FPGA編程相當困難。我們發現到2014年有約127億美元的市場是傳統FPGA沒法服務的。

  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 跟處理器簡單地集成在一起,更是兩者的有機結合。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。FPGA+CPU的雙芯片方案。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。

  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。

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  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AMBA AXI4 (Advanced eXtensible Interface 4) 接口上達到了很高的數據吞吐能力。”

  Zynq已經來了一段時間了。但是隨著物聯網、智能工業等領域的發展,讓ARM穿上FPGA的馬甲,勢必會演一出更精彩的好戲。


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