وبلاگ شرکت در مورد Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q چهار هسته ای ZynqTM UltraScale+TM MPSoC FPGA

شرکت شنژن مینجیادا الکترونیکس با مسئولیت محدود، قطعه Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q FPGA چهار هسته ای Zynq™ UltraScale+™ MPSoC را تامین و بازیافت می کند.

قطعه XAZU2EG-1SBVA484Q یک دستگاه بسیار یکپارچه و با قابلیت اطمینان بالا در سری Zynq™ UltraScale+™ MPSoC (سیستم-روی-چیپ چند پردازنده) است. این دستگاه دارای معماری است که یک پردازنده کاربردی چهار هسته ای ARM® Cortex®-A53 را با منطق قابل برنامه ریزی (PL) به طور عمیق یکپارچه می کند. این تراشه که بر اساس فرآیند 16 نانومتری FinFET ساخته شده است، تعادلی بین عملکرد بالا، مصرف کم انرژی و قابلیت برنامه ریزی انعطاف پذیر برقرار می کند. این تراشه که به طور خاص برای کاربردهای پرتقاضا مانند الکترونیک خودرو، اتوماسیون صنعتی و تجهیزات پزشکی طراحی شده است، یک دستگاه هسته جاسازی شده است که محاسبات، کنترل و اتصال را یکپارچه می کند.

I. معماری هسته و اجزای XAZU2EG-1SBVA484Q

قطعه XAZU2EG-1SBVA484Q معماری SoC چند پردازنده ناهمگن را اتخاذ می کند و هسته آن از دو بخش تشکیل شده است: سیستم پردازش (PS) و منطق قابل برنامه ریزی (PL). این دو جزء از طریق یک رابط پرسرعت AXI به طور یکپارچه به هم متصل می شوند و امکان همکاری سخت افزار و نرم افزار را فراهم می کنند. این تراشه قابلیت های کنترل انعطاف پذیر یک پردازنده عمومی را با مزایای پردازش موازی قابل برنامه ریزی یک FPGA ترکیب می کند و در نتیجه بر تنگناهای عملکردی مربوط به طرح های سنتی که پردازنده ها و FPGA ها را جدا می کنند، غلبه می کند.

1. سیستم پردازش (PS): پردازش مشترک چند هسته ای، تعادل عملکرد و قابلیت های بلادرنگ

سیستم پردازش به عنوان "هسته کنترل" دستگاه عمل می کند و انواع مختلفی از هسته های پردازنده با کارایی بالا را برای پاسخگویی به نیازهای محاسباتی در سناریوهای مختلف ادغام می کند. پیکربندی خاص به شرح زیر است:

- ARM® Cortex®-A53 MPCore™ چهار هسته ای: به عنوان واحد پردازش برنامه (APU) عمل می کند، معماری ARMv8-A را اتخاذ می کند و از حالت های عملیاتی دوگانه 64 بیتی/32 بیتی پشتیبانی می کند. با حداکثر سرعت کلاک 1.2 گیگاهرتز، دارای مجازی سازی سخت افزاری، قابلیت های امنیتی ARM TrustZone®، و همچنین موتور پردازش رسانه Neon پیشرفته SIMD و واحدهای ممیز شناور تک/دوگانه (FPU) است که عملکردی تا 2.3 DMIPS/MHz را ارائه می دهد. این تراشه سیستم عامل هایی مانند لینوکس و FreeRTOS را به طور موثر اجرا می کند و وظایف پیچیده لایه برنامه مانند پردازش داده، تجزیه پروتکل و تعامل انسان و ماشین را مدیریت می کند.

- ARM® Cortex™-R5 MPCore™ دو هسته ای: به عنوان واحد پردازش بلادرنگ (RPU) عمل می کند، از معماری ARMv7-R با حداکثر سرعت کلاک 600 مگاهرتز استفاده می کند. با پشتیبانی از حالت های عملیاتی قفل شده و مستقل، قابلیت اطمینان بالا و تأخیر کم را ارائه می دهد و به طور خاص برای مدیریت وظایف کنترل بلادرنگ مانند کنترل حرکت صنعتی و تصمیم گیری بلادرنگ در سیستم های ADAS خودرو طراحی شده است. این تراشه به طور موثر بار APU را کاهش می دهد و در نتیجه سرعت پاسخگویی کلی سیستم را افزایش می دهد.

- ARM Mali™-400 MP2 واحد پردازش گرافیکی: موتور شتاب دهنده گرافیکی یکپارچه با حداکثر سرعت کلاک 667 مگاهرتز، پشتیبانی از رندر گرافیکی دو بعدی/سه بعدی. سازگار با استانداردهای OpenGL ES 1.1، 2.0 و OpenVG 1.0، 1.1، این تراشه امکان نمایش گرافیکی با وضوح 1080p را فراهم می کند. مناسب برای برنامه های جاسازی شده که نیاز به رابط های کاربری گرافیکی دارند، مانند ترمینال های کنترل صنعتی و نمایشگرهای تصویربرداری پزشکی.

- حافظه روی تراشه و کنترلر حافظه: دارای 256 کیلوبایت رم روی تراشه (OCM) با پشتیبانی ECC برای اطمینان از ذخیره سازی مطمئن داده ها؛ یک کنترلر DDR یکپارچه از حافظه خارجی مانند DDR4 و LPDDR4 پشتیبانی می کند و ظرفیت ذخیره سازی را برای پاسخگویی به نیازهای دسترسی به داده با پهنای باند بالا افزایش می دهد؛ همچنین مجهز به کش های L1 و L2 است که شامل کش L1 دستورالعمل/داده 32 کیلوبایتی (مستقل برای هر هسته) و کش L2 مشترک 1 مگابایتی است که به طور قابل توجهی کارایی خواندن/نوشتن داده را افزایش داده و تأخیر پردازنده را کاهش می دهد.

2. منطق قابل برنامه ریزی (PL): انعطاف پذیر و قابل تنظیم برای برآورده کردن الزامات سفارشی سازی

بخش منطق قابل برنامه ریزی بر اساس معماری Xilinx UltraScale™ است که دارای چگالی منطقی بالا، پهنای باند بالا و مصرف کم انرژی است. این بخش را می توان از طریق برنامه نویسی برای سناریوهای کاربردی خاص سفارشی کرد و امکان گسترش رابط های مختلف، پردازش موازی، اکتساب سیگنال و توابع پردازش را فراهم می کند. پارامترهای خاص به شرح زیر است:

- واحدهای منطقی: تقریباً 82 هزار واحد منطقی را ادغام می کند که قادر به پیاده سازی توابع منطق دیجیتال پیچیده هستند. این تراشه از پیکربندی انعطاف پذیر منطق ترکیبی و ترتیبی برای انطباق با الگوریتم های سفارشی و پروتکل های رابط با پیچیدگی های مختلف پشتیبانی می کند.

- منابع حافظه: شامل منابع حافظه مختلف روی تراشه مانند Block RAM و UltraRAM است. Block RAM ذخیره سازی دو پورت پرسرعت را فراهم می کند، در حالی که UltraRAM ظرفیت بالا و مصرف کم انرژی را ارائه می دهد و برای کشینگ داده و طراحی FIFO مناسب است و تبادل داده پرسرعت را در طول پردازش موازی تضمین می کند؛ حافظه توزیع شده نیز پشتیبانی می شود و انعطاف پذیری حافظه را بیشتر می کند.

- برش های DSP: 240 برش DSP را ادغام می کند که هر کدام از ضرب 27x18 علامت دار، عملیات جمع/تجمعی 48 بیتی و یک پیش جمع کننده 27 بیتی پشتیبانی می کنند. این برش ها با فرکانس 891 مگاهرتز کار می کنند و عملکرد پهنای باند به 6.3 ترا مک می رسد و برای سناریوهای محاسباتی با کارایی بالا مانند پردازش سیگنال دیجیتال، فیلتر کردن و تبدیل فوریه، از جمله کاربردها در تصویربرداری پزشکی و تجزیه و تحلیل سیگنال صنعتی مناسب است.

- منابع I/O: 82 پین I/O قابل پیکربندی را ارائه می دهد که از استانداردهای ولتاژ مختلف از جمله LVCMOS، LVDS و SSTL با محدوده ولتاژ 1.0 ولت تا 3.3 ولت پشتیبانی می کند. این تراشه دارای تأخیر I/O قابل برنامه ریزی و قابلیت SerDes است که امکان اتصال انعطاف پذیر به دستگاه های جانبی و رابط های مختلف خارجی را برای برآورده کردن الزامات انتقال سیگنال در سناریوهای مختلف فراهم می کند.

II. مزایای عملکردی کلیدی XAZU2EG-1SBVA484Q

1. هماهنگی هسته ناهمگن چند هسته ای: تعادل عملکرد و قابلیت های بلادرنگ

هسته Cortex-A53 چهار هسته ای پردازش برنامه با کارایی بالا را مدیریت می کند، هسته Cortex-R5 دو هسته ای بر کنترل بلادرنگ تمرکز دارد و Mali-400 MP2 شتاب دهی گرافیکی را مدیریت می کند. این اجزا با همکاری یکدیگر و ترکیب با قابلیت های پردازش موازی منطق قابل برنامه ریزی، می توانند انواع مختلف وظایف را به مناسب ترین واحدهای پردازشی اختصاص دهند. این امر منجر به یک طراحی یکپارچه شامل "پردازش برنامه + کنترل بلادرنگ + شتاب دهی گرافیکی + منطق سفارشی" می شود که عملکرد کلی سیستم و سرعت پاسخگویی را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. در مقایسه با طرح های گسسته سنتی، این امر تعداد قطعات و تأخیر رابط را کاهش می دهد و در عین حال پایداری سیستم را بهبود می بخشد.

2. یکپارچگی و انعطاف پذیری بالا، ساده سازی طراحی سیستم

قطعه XAZU2EG-1SBVA484Q چندین ماژول عملکردی از جمله پردازنده، FPGA، موتور گرافیکی، کنترلر حافظه و دستگاه های جانبی رابط مختلف را ادغام می کند. این امر امکان ساخت یک سیستم جاسازی شده کامل را بدون نیاز به تراشه های خارجی اضافی فراهم می کند و فرآیند طراحی سخت افزار را به طور قابل توجهی ساده می کند و در عین حال اندازه، هزینه و مصرف انرژی سیستم را کاهش می دهد. علاوه بر این، بخش منطق قابل برنامه ریزی را می توان به طور انعطاف پذیر برای برآورده کردن الزامات کاربر سفارشی کرد و از گسترش رابط و شتاب الگوریتم، در میان سایر عملکردها پشتیبانی می کند. این امر با نیازهای خاص سناریوهای کاربردی مختلف سازگار می شود و انعطاف پذیری و مقیاس پذیری استثنایی را ارائه می دهد و امکان تکرار و استفاده مجدد سریع طراحی را فراهم می کند.

3. قابلیت اطمینان بالا و مصرف کم انرژی، مناسب برای محیط های پرتقاضا

با استفاده از فرآیند کم مصرف 16 نانومتری FinFET همراه با فناوری مدیریت چند دامنه توان، می تواند مصرف توان استاتیک را تا 30 درصد با غیرفعال کردن توان ماژول های بلااستفاده کاهش دهد. مصرف توان در حالت خواب عمیق تا 180 نانووات کاهش می یابد و نیازهای کم مصرف دستگاه های قابل حمل و باتری دار را برآورده می کند. علاوه بر این، این دستگاه از ویژگی هایی مانند تصحیح خطای ECC، حالت قفل شده و نظارت بر سیستم پشتیبانی می کند. با محدوده دمای عملیاتی -40 درجه سانتیگراد تا 125 درجه سانتیگراد، ایمنی عالی در برابر تداخل و سازگاری محیطی را ارائه می دهد و عملکرد پایدار را در محیط های پرتقاضا مانند کاربردهای خودرو، صنعتی و پزشکی تضمین می کند و در عین حال استانداردهای قابلیت اطمینان درجه صنعتی و درجه خودرو را برآورده می کند.

4. پشتیبانی جامع اکوسیستم، کاهش مانع توسعه

Xilinx ابزارهای توسعه جامع و پشتیبانی اکوسیستم را برای سری Zynq™ UltraScale+™ MPSoC ارائه می دهد، از جمله Vivado Design Suite (ابزارهای برنامه نویسی FPGA) و Vitis Unified Software Platform (ابزارهای توسعه نرم افزار جاسازی شده). این تراشه از چندین زبان برنامه نویسی مانند C/C++، Verilog و VHDL پشتیبانی می کند و امکان طراحی مشترک، شبیه سازی و اشکال زدایی سخت افزار و نرم افزار را فراهم می کند. علاوه بر این، با منابع فراوان هسته IP (مانند IP رابط و IP پردازش سیگنال) و طرح های مرجع موجود، توسعه دهندگان می توانند از منابع موجود برای کوتاه کردن چرخه های توسعه، کاهش آستانه توسعه و عرضه سریع محصولات به بازار استفاده مجدد کنند.

III. سناریوهای کاربردی معمول برای XAZU2EG-1SBVA484Q

با توجه به عملکرد بالا، قابلیت اطمینان بالا، انعطاف پذیری بالا و مصرف کم انرژی، قطعه XAZU2EG-1SBVA484Q به طور گسترده در طراحی سیستم های جاسازی شده در بخش های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. این تراشه به ویژه برای سناریوهایی با الزامات سختگیرانه در مورد اندازه، مصرف انرژی و قابلیت اطمینان مناسب است. کاربردهای معمول عبارتند از:

1. الکترونیک خودرو

به عنوان یک دستگاه درجه خودرو (XA)، می توان از آن در سیستم های پیشرفته کمک راننده (ADAS)، سیستم های سرگرمی داخل خودرو و سیستم های کنترل بدنه استفاده کرد. در این کاربردها، هسته Cortex-R5 وظایف کنترل بلادرنگ (مانند کنترل فرمان و ترمز) را مدیریت می کند، در حالی که هسته Cortex-A53 وظایف پیچیده ای مانند تشخیص تصویر و انتقال داده را پردازش می کند. منطق قابل برنامه ریزی اکتساب و پردازش سیگنال سنسور را تسهیل می کند و نیازهای بخش الکترونیک خودرو را برای عملکرد بلادرنگ، قابلیت اطمینان و ایمنی در برابر تداخل برآورده می کند. علاوه بر این، بسته بندی فشرده آن برای محیط های محدود از نظر فضا که معمولاً در کاربردهای داخل خودرو وجود دارد، مناسب است.

2. بخش اتوماسیون صنعتی

مناسب برای گیت وی های اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT)، بینایی ماشین، کنترل حرکت صنعتی، PLC ها و سایر تجهیزات. گسترش رابط I/O پرسرعت و پردازش سیگنال بلادرنگ از طریق منطق قابل برنامه ریزی حاصل می شود، در حالی که هسته Cortex-A53 پروتکل های صنعتی (مانند Ethernet/IP و Profinet) و نرم افزار مدیریت داده را اجرا می کند. هسته Cortex-R5 کنترل حرکت با دقت بالا را مدیریت می کند و امکان کنترل هوشمند و خودکار تجهیزات صنعتی را برای افزایش بهره وری تولید و دقت کنترل فراهم می کند و در عین حال نیازهای محیط های دمایی سخت و مقاومت در برابر تداخل در محیط های صنعتی را برآورده می کند.

3. بخش تجهیزات پزشکی

مناسب برای تجهیزات تصویربرداری پزشکی (مانند دستگاه های تشخیص اولتراسوند و مانیتورهای قابل حمل) و تجهیزات نظارت پزشکی. موتور گرافیکی Mali-400 MP2 امکان نمایش و پردازش بلادرنگ تصاویر پزشکی را فراهم می کند، در حالی که هسته Cortex-A53 ذخیره سازی و انتقال داده را مدیریت می کند. منطق قابل برنامه ریزی اکتساب و فیلتر کردن سیگنال سنسور را تسهیل می کند. قابلیت اطمینان بالا و ویژگی های کم مصرف این دستگاه، عملکرد پایدار تجهیزات پزشکی را تضمین می کند و در عین حال نیازهای صنعت را برای کوچک سازی و مصرف کم انرژی برآورده می کند و با الزامات طراحی دستگاه های پزشکی قابل حمل همسو می شود.

4. سایر زمینه ها

علاوه بر این، می توان از آن در سناریوهایی مانند کنترل پهپاد، زیرساخت ارتباطات، رادیو نرم افزار تعریف شده قابل حمل و هوافضا استفاده کرد. به عنوان مثال، در کنترل پهپاد، می تواند کنترل وضعیت پرواز، انتقال و پردازش تصویر را امکان پذیر کند؛ در زیرساخت ارتباطات، می تواند تجزیه و تحلیل سیگنال و تبدیل پروتکل را انجام دهد. با تشکر از معماری چند هسته ای ناهمگن و قابلیت برنامه ریزی انعطاف پذیر آن، با الزامات متنوع سناریوهای مختلف سازگار می شود و راه حل های هسته ای با کارایی بالا و بسیار قابل اعتماد را برای سیستم های جاسازی شده مختلف ارائه می دهد.

IV. خلاصه XAZU2EG-1SBVA484Q

FPGA چهار هسته ای Zynq™ UltraScale+™ MPSoC Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q یک دستگاه هسته جاسازی شده است که عملکرد بالا، قابلیت اطمینان بالا و انعطاف پذیری بالا را ترکیب می کند. از طریق یکپارچگی عمیق معماری چند هسته ای ناهمگن با منطق قابل برنامه ریزی، به یک طراحی یکپارچه برای پردازش برنامه، کنترل بلادرنگ، شتاب دهی گرافیکی و منطق سفارشی دست می یابد. فرآیند 16 نانومتری FinFET، محدوده دمایی گسترده، منابع رابط فراوان و پشتیبانی جامع اکوسیستم آن را برای کاربردهای پرتقاضا مانند الکترونیک خودرو، اتوماسیون صنعتی و دستگاه های پزشکی ایده آل می کند. این تراشه یک راه حل بسیار یکپارچه، کم مصرف و با توسعه آسان را در اختیار توسعه دهندگان قرار می دهد و به تسریع استقرار محصول و افزایش رقابت پذیری بازار کمک می کند. به عنوان یکی از اعضای کلیدی سری AMD Zynq UltraScale+ MPSoC، این دستگاه با نسبت عملکرد به توان و مقیاس پذیری عالی خود، به یکی از گزینه های ارجح برای طراحی سیستم های جاسازی شده تبدیل شده است.