وبلاگ شرکت در مورد Xilinx XC7Z020-3CLG484E Zynq-7000 XC7Z020 سری SoC FPGA

شركت الکترونيک شينزين مينگجيادا توليد و بازيافت شيليکسXC7Z020-3CLG484Eتراشه های Zynq-7000 XC7Z020 سری SoC FPGA

درXC7Z020-3CLG484Eیک سیستم بر روی تراشه با عملکرد بالا و کاملا قابل برنامه ریزی (SoC همه قابل برنامه ریزی) از سری AMD Xilinx ¢ (پشت این Xilinx) Zynq-7000 است.نوآوری اصلی آن در یکپارچه سازی عمیق پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9 با معماری Artix-7 FPGA برنامه ریزی می شوداین معماری ناهمگن از محدودیت های فیزیکی راه حل های دو چیپ سنتی ¢CPU + FPGA ¢ عبور می کند. با استفاده از یک فرآیند 28nm HKMG،آن را به یک تعادل بین عملکرد بالا و مصرف انرژی کم می رساند، ارائه یک راه حل یکپارچه ′′برنامه سازی نرم افزاری + سفارشی سازی سخت افزاری ′′ برای سیستم های هوشمند در زمینه هایی مانند کنترل صنعتی، تجهیزات ارتباطی و بینایی جاسازی شده.

نام مدلXC7Z020-3CLG484E?? حاوی اطلاعات زیادی در مورد محصول است: XCX خط محصول Xilinx را نشان می دهد؛ 7Z020X یک عضو سری Zynq-7000 را با مقیاس منبع 20 شناسایی می کند. 3 نشان دهنده بالاترین درجه سرعت است (تردد ساعت 866 مگاهرتز)؛ ️CLG484 ️ مشخص کننده بسته 484 پین CSPBGA است و ️E ️ نشان دهنده محدوده دمای گسترش یافته (0 °C تا 100 °C دمای اتصال) است.در مقایسه با محصولات مشابه با درجه سرعت 2 (حداکثر 767 MHz)، درجه 3-3 دارای سقف عملکرد بالاتری است که آن را به ویژه برای برنامه های کاربردی با الزامات سختگیرانه پردازش مناسب می کند.

II.XC7Z020-3CLG484Eمعماری هسته ای: یک پیشرفت تکنولوژیکی در همگرایی متضاد دو هسته

سیستم پردازش (PS): پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9

بخش PS بر روی یک پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9 MPCore ، مبتنی بر معماری ARMv7-A ، با حداکثر سرعت ساعت 866MHz متمرکز شده است.هر هسته مجهز به 32 کیلو بایت حافظه کش دستورالعمل L1 و 32 کیلو بایت حافظه کش داده L1 است، و یک حافظه کش L2 512KB را به اشتراک می گذارد، که یک سلسله مراتب حافظه کش کارآمد را تشکیل می دهد. پردازنده موتور پردازش رسانه NEON و یک واحد نقطه شناور بردار (FPU) را ادغام می کند.و از محیط اجرای آزمایشات RCT Jazelle پشتیبانی می کند.، که امکان مدیریت کارآمد الگوریتم های پیچیده، برنامه ریزی سیستم عامل و وظایف محاسباتی سریال را فراهم می کند.

در مورد زیرسیستم حافظه، PS کنترل کننده های حافظه DDR3/DDR3L/DDR2/LPDDR2 را ادغام می کند.پشتیبانی از رابط های داده 16 یا 32 بیتی با حداکثر سرعت داده 1066Mbps و قابل گسترش تا 2GB ظرفیت حافظهعلاوه بر این، این تراشه شامل 256 کیلو بایت حافظه در تراشه (OCM) و یک کنترل کننده DMA چند کانال است که به طور قابل توجهی دسترسی به داده ها و بهره وری انتقال را افزایش می دهد.

این یک ثروت از منابع رابط محیطی را ارائه می دهد، از جمله:

MAC های دو گگابیت اترنت که از همگام سازی دقیق ساعت IEEE 1588 پشتیبانی می کنند

2 رابط USB 2.0 OTG، پشتیبانی از تغییر حالت میزبان و دستگاه

2 رابط اتوبوس CAN 2.0B، مناسب برای ارتباطات اتوبوس صنعتی

2 SPI، 2 I2C، 2 UART و GPIO چند منظوره کلی (MIO)

از نظر ماژول های امنیتی، دارای تأیید هویت RSA، موتورهای رمزگذاری AES و SHA-256 است و از بوت امن و یک محیط اجرای قابل اعتماد پشتیبانی می کند.تضمین امنیت راه اندازی سیستم و حریم خصوصی انتقال داده.

واحد منطق قابل برنامه ریزی PL (اسلحه تسریع سخت افزاری)

بخش PL بر اساس معماری پیشرفته Artix-7 FPGA ساخته شده است، با عناصر منطقی قابل برنامه ریزی 85K، جداول جستجوی فراوان، ثبت، منابع حافظه بلوک،و هسته های سخت چندگانه اختصاصی، پشتیبانی از توسعه مدارهای منطقی سخت افزاری تعریف شده توسط کاربر.و عملکردهای سخت افزاری بالا موازی مانند جمع آوری داده های موازی با سرعت بالا، فیلتر و پردازش سیگنال در زمان واقعی، تجزیه و تحلیل پروتکل ارتباطات سفارشی، شتاب الگوریتم سخت افزاری و کنترل زمان دقیق که به تنهایی با نرم افزار دشوار است.PS و PL از طریق یک اتوبوس AXI با سرعت بالا در تراشه به یکدیگر متصل می شوند، پشتیبانی از پیکربندی انعطاف پذیر از کانال های داده با سرعت بالا و پایین.این امکان همکاری کارآمد بین نرم افزار صادر کننده دستورالعمل های پردازنده و سخت افزار منطقی قابل برنامه ریزی را فراهم می کند که محاسبات با سرعت بالا را انجام می دهد و داده ها را باز می گرداند.، تعادل انعطاف پذیری کنترل با عملکرد محاسباتی بالا.

هماهنگی PS-PL: نقش پل اتوبوس AXI

PS و PL از طریق اتوبوس AXI (Advanced eXtensible Interface) برای دستیابی به عرض باند بالا و تبادل داده با تاخیر پایین ارتباط برقرار می کنند که عمدتا شامل انواع کانال های زیر است:

AXI HP (برآمدات بالا): 4 کانال مستقل، هر کدام با پهنای باند تا 1500 MB / s، برای PL برای دسترسی به حافظه PS (مانند DDR3) استفاده می شود، مناسب برای سناریوهای شامل انتقال داده های بزرگ

AXI ACP (Accelerator Coherency Port): از انسجام کش پشتیبانی می کند و به PL اجازه می دهد به طور مستقیم به کش های L1/L2 پردازنده های ARM دسترسی داشته باشد و در نتیجه تاخیر انتقال داده را کاهش دهد.

AXI GP (هدف عمومی): دو کانال عمومی که توسط PS برای دسترسی به ثبت PL یا منطق کنترل استفاده می شود

مکانیسم قطع: PL می تواند یک قطع پردازنده ARM را از طریق پین IRQ_F2P ایجاد کند و پاسخ در زمان واقعی را در سطح میکرو ثانیه فعال کند.

This collaborative architecture forms an efficient ‘parallel processing + serial scheduling’ operating mode—the FPGA section implements hardware-level acceleration (such as signal filtering and image pre-processing)، در حالی که پردازنده ARM یک سیستم عامل زمان واقعی را برای مدیریت منطق کنترل پیچیده اجرا می کند.

III. ویژگی های اصلی و مزایای فنیXC7Z020-3CLG484E

ادغام تک تراشه و مزایای سیستم

سیستم های جاسازی شده سنتی نیاز به یک PCB برای اتصال یک CPU مستقل و یک تراشه FPGA دارند، در حالی که XC7Z020 هر دو را به یک تراشه واحد ادغام می کند، به طور قابل توجهی پیچیدگی سیستم را کاهش می دهد:

کاهش بیش از 30٪ در سطح PCB، به حداقل رساندن مسیرهای سطح صفحه و تعداد قطعات

مصرف برق کاهش یافته: مصرف برق ایستاتیک <0.5W، مصرف برق پویا تحت بار کامل <3W، که نشان دهنده کاهش بیش از 30٪ در مقایسه با راه حل های جداگانه است

تاخیر کاهش یافته: تاخیر ارتباطات اتوبوس AXI در تراشه به طور قابل توجهی کمتر از اتصال های متقابل سطح PCB است

تضمین عملکرد در زمان واقعی

بخش PL سرعت بخش سخت افزاری را در سطح میکروس ثانیه امکان پذیر می کند (به عنوان مثال تولید PWM ، رابط های کدگذاری) ، در حالی که بخش PS وظایف غیر زمان واقعی را از طریق پچ های زمان واقعی لینوکس (به عنوان مثالXenomai) و یا برنامه های فلزی. در یک برنامه کاربردی معمولی مانند یک سیستم کنترل موتور 6 محور، PL پردازش محاسبه در زمان واقعی الگوریتم FOC (کنترول میدان گرا) را انجام می دهد،در حالی که PS استیک پروتکل اصلی EtherCAT را اجرا می کند، به دست آوردن دقت همگام سازی در سطح نانوسکن.

قابلیت اطمینان صنعتی

درXC7Z020-3CLG484Eارائه می دهد طیف گسترده ای از دمای (0 °C به 100 °C دمای اتصال) و بسته بندی شده در یک 484 پین CSPBGA (19 × 19 میلی متر). برای محیط های صنعتی بیشتر،این سری همچنین یک گزینه درجه صنعتی (-40 °C تا 100 °C) را ارائه می دهداین تراشه با الزامات RoHS 3 مطابقت دارد و دارای MSL (سطح حساسیت رطوبت) 3 (168 ساعت) است.

اکوسیستم توسعه جامع

AMD Xilinx پشتیبانی کامل از زنجیره ابزار توسعه را ارائه می دهد:

Vivado Design Suite: از پیکربندی طراحی بلوک گرافیکی پشتیبانی می کند و تولید سریع معماری های اتصال AXI و طراحی مشترک PS / PL را امکان پذیر می کند

پلت فرم نرم افزاری متحد ویتیس: از برنامه نویسی مختلط در C / C ++ و Verilog / VHDL پشتیبانی می کند و توزیع Linux جاسازی شده PetaLinux را ارائه می دهد.

Vitis AI: از استفاده از مدل یادگیری ماشین پشتیبانی می کند و وظایف نتیجه گیری هوش مصنوعی را بر روی منطق FPGA تسریع می کند.

کتابخانه هسته ای IP گسترده: شامل IP درجه صنعتی مانند AXI EtherCAT ، استیک پروتکل CANopen و Motor Control IP (تولید FOC / PWM) ، سرعت بخش چرخه توسعه

4سناریوهای کاربردی معمول برایXC7Z020-3CLG484E

اتوماسیون صنعتی

در کارخانه های هوشمند، طرف FPGA XC7Z020 می تواند به پاسخ در زمان واقعی در سطح میکروسکنید، پردازش کدگذاری و داده های سنسور برای انجام کنترل سرعت موتور و کنترل مسیر بازوی رباتیک دست یابد.;طرف ARM از PLC منطق و پروتکل های اتوبوس صنعتی (CAN / Ethernet) استفاده می کند که از ادغام داده های سنسور و اتصال ابری پشتیبانی می کند.یک مطالعه موردی از یک خط تولید خودرو نشان می دهد که یک راه حل مبتنی بر این تراشه دقت موقعیت بندی بازوی رباتیک را به 0 بهبود می بخشد..01 mm، با تاخیر پاسخ کمتر از 50 μs.

در برنامه های PLC، منطق FPGA را می توان برای پشتیبانی از پروتکل های مختلف صنعتی (مانند Modbus و PROFINET) سفارشی کرد، در حالی که ARM نظارت از راه دور را از طریق گیگابیت اترنت امکان پذیر می کند.یک کارخانه فولاد از XC7Z020 برای ساخت یک سیستم کنترل توزیع شده استفاده کرد، جایگزین کردن حل اصلی CPU + FPGA + پروتکل تراشه با یک تراشه واحد، در نتیجه کاهش هزینه ها با 40٪ و کاهش نرخ شکست با 60٪.

تجهیزات ارتباطی و محاسبات لبه ای

در سلول های کوچک 5G، FPGA XC7Z020s پردازش سیگنال باند پایه را (معکوس سازی / دمودولاسیون و کدگذاری / رمزگشایی کانال) مدیریت می کند، در حالی که ARM استیک پروتکل و کنترل ترافیک را اجرا می کند.رابط دوگانه گیگابیت اترنت انتقال داده پهنای باند بالا را تضمین می کندداده های آزمایش از یک اپراتور مخابراتی نشان می دهد که این راه حل مصرف برق ایستگاه پایه را از 15W به 8W کاهش می دهد، در حالی که از تعداد بیشتری از اتصالات کاربر پشتیبانی می کند.

در سیستم عامل های رادیویی تعریف شده با نرم افزار (SDR) ، FPGA به دست آوردن سیگنال پهن باند و پیش پردازش رسیدگی می کند ، در حالی که ARM رادیو GNU را برای نوسازی و نوسازی اجرا می کند ،با هزینه ی فقط یک پنجم از تجهیزات سنتی.

دید جاسازی شده و هوش مصنوعی

در سیستم های بازرسی بینایی ماشین، FPGA پردازش پیش از تصویر (مانند کاهش سر و صدا و دوگانه سازی) را از طریق پردازش موازی تسریع می کند.در حالی که PS اجرا OpenCV برای انجام استخراج ویژگی و طبقه بندیپس از اتخاذ این راه حل، یک سازنده الکترونیک سرعت تشخیص نقص محصول خود را از 5 فریم در ثانیه به 30 فریم در ثانیه افزایش داد.در حالی که نرخ مثبت کاذب به 0 کاهش یافت..1 درصد

از طریق چارچوب Vitis AI، توسعه دهندگان می توانند مدل های شبکه عصبی از پیش آموزش دیده مانند YOLOv3 را بر روی منطق شتاب FPGA برای دستیابی به تشخیص شی در زمان واقعی،مناسب برای سناریوهای مانند سیستم های کمک راننده ADAS.

الکترونیک پزشکی

در تجهیزات سی تی و ام آر آی، FPGA وظایف پیش پردازش مانند تشخیص تصویر پزشکی و بازسازی را تسریع می کند، در حالی که ARM تجزیه و تحلیل تصویر و تولید گزارش تشخیصی را انجام می دهد.در مانیتورهای همراه بیمار، FPGA کسب سیگنال فیزیولوژیک چند کانال را انجام می دهد (به عنوان مثال، ECG، EEG) و ARM الگوریتم های تجزیه و تحلیل داده را اجرا می کند.که امکان دریافت همزمان 12 خط را با تاخیر انتقال داده کمتر از 10 ms فراهم می کند..

نتیجه گیری در موردXC7Z020-3CLG484E

به عنوان یک نماینده با عملکرد بالا از سری Zynq-7000،XC7Z020-3CLG484Eمدل طراحی سیستم های جاسازی شده را با معماری همجوشی آن که شامل دو هسته ای ARM Cortex-A9 و Artix-7 FPGA است، دوباره تعریف می کند.انعطاف پذیری نرم افزار را با بهره وری سخت افزار در یک تراشه واحد ترکیب می کند، که پشتیبانی از قدرت محاسبات اصلی برای دستگاه های هوشمند در زمینه های پیشرفته مانند صنعت 4 را فراهم می کند.0، ارتباطات 5G و رانندگی هوشمند. با تکامل مداوم محاسبات لبه ای و فناوری های AIoT، ارزش چنین SoC های کاملاً قابل برنامه ریزی به طور فزاینده ای آشکار می شود.به عنوان یک محرک کلیدی برای ارتقاء هوشمند صنایع مختلف.