摘要：Xilinx的EPP(可扩展处理平台)——Zynq-7000系列将业界标准的ARM双核Cortex-A9 MPCore处理系统与Xilinx可扩展的28nm FPGA架构整合在一起，在单一芯片上集成了“嵌入式处理器+FPGA”等性能。 引言
全球可编程平台领导厂商赛灵思(Xilinx)公司今年的市场重点是28nm的7系列产品及Zynq。不久前，Xilinx公司才宣布开始向客户出货首款 Zynq可扩展处理平台(EPP)。那么，Zynq是什么样的产品?为何Xilinx称“Zynq为Xilinx打开了新的篇章，同时为整个嵌入式行业和FPGA业也打开了新的篇章”?
28nm FPGA的优势
首先，Zynq是基于28nm制程的FPGA。Xilinx的全球总裁兼CEO Moshe Gavrielov指出[1]，以28nm制程来看，ASIC与ASSP的一次性费用(NRE)将高达5000万美元，若重新设计还得再付担原费用的50%。此外，随着全球化趋势及网络的普及，竞争者不再只是本国而是来自全世界的抢食，系统对产品设计性价比的考量也更加严峻。因此，独特性及灵活性成为大多数厂商设计考量的着眼点。
因此，以灵活性、上市快及较低成本取胜的FPGA处于健康的增长态势(图1)。
ARM的A9 MPCore受到热捧
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整合：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%[4]。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”。“但是我们的客户并不满足于此，或者说在客户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。”Xilinx全球市场营销高级副总裁Vin Ratford说道。
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。如图5，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。图5上方是双芯片方案。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。图5下方可以看到使用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以ARM为核心
![]() Zynq尽管是由FPGA厂商—Xilinx主导的，但Xilinx称其是全新的EPP(可扩展处理平台)，应用时，Zynq上电后处理系统会自动启动，而不会是FPGA先启动。
实际上，Zynq-7000系列具有完整的ARM处理系统(图6)，是以ARM Cortex-A9 MPCore为中心，还集成了存储器控制器和外设;另外，紧密集成可编程逻辑方面，图6的黄色部分是FPGA，它们之间约有3000个内部互连，内部互连十倍于现有的双芯片方案;除此之外，有灵活的I/O阵列，包括处理器专用I/O，可以支持多重标准的I/O，还集成了高性能串行收发器，双12位的模数转换器的输入部分，输入可以直接接到器件混模的架构里。
该器件的软硬件都可以编程，如果是处理器的开发人员，可以用处理器软件来做开发，扩展到它的硬件FPGA的部分;如果是硬件的工程师，可以用FPGA做硬件加速器。
Zynq-7000的ARM处理系统
包括ARM双Cortex-A9 MPCore、存储器接口和通用外设三部分，并用AXI4实现开放式的标准互联。
具体来看，Zynq处理器的ARM内核架构带NEON扩展的双ARM Cortex-A9 MPCore，这种架构专门用于支持图形应用或者是图形加速器，支持单、双精度浮点运算，工作频率可达到800MHz。
存储器的接口也是对应可以支持DDR2、DDR3、LPDDR2、ZxQSPI、NOR、NAND闪存，内含了L1和L2的高速缓存，总量可以达到512KB，同时还有片上的256KB存储器。
通用外设具有集成的存储器映射外设。另外还有强大的AXI4开放式标准互联。AXI4是高带宽、低延时的行业标准，是ARM自己定义的AMBA第四代总线架构，专门用作连接ARM的处理器、外设和FPGA。而且带有ACP的端口，此端口让开发工程师可以增加更多的软核处理器。整个处理系统是可以单独启动的，也就是说，软件工程师可以完全地对处理器编程，而不需要硬件工程师的协助。
Zynq的应用
在Zynq的四个系列里，7010和7020针对较低端的应用，像消费类或者是汽车辅助驾驶应用等，7030和7045针对工业、通讯、国防、广播级的应用等。
其中，2011年初暂定为Zynq-7040的型号现被7045取代，主要是为了满足有线、无线和视频广播市场领域客户新的高端应用需求，并将当前该系列采用12.5 Gbps技术的收发器数量增加至16个。这将实现更多的桥接应用，并实现更宽的高速DAC/ADC连接。新增的可编程逻辑功能(DSP、BRAM 和逻辑)可为设计人员带来更高的信号处理能力，以满足滤波、数字转换以及其它功能要求，同时还能灵活地定制各种特定功能。Zynq-7045是Zynq系列的首款高端器件，其应用范围从下可以拥有30,000逻辑单元，专门针对成本敏感型应用如工业、汽车电子以及消费类电子，从上逻辑单元可达350,000个，帮助客户在单一可扩展平台上，实现需要最高容量及性能的多种应用。
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