وبلاگ شرکت در مورد تراشه دو هسته‌ای ARM Cortex A9 سری Xilinx Zynq-7000 SoC XC7Z020-1CLG400C

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd عرضه و بازیافت SoC سری Xilinx Zynq-7000XC7Z020-1CLG400Cتراشه دو هسته ای ARM Cortex-A9

به عنوان یک مدل پرچمدار در سری Zynq-7000،XC7Z020-1CLG400Cبه دلیل پیکربندی عملکرد متعادل آن، برای کاربردهایی مانند کنترل صنعتی، بینایی ماشین و دروازه های ارتباطی، انتخاب شده است.پشتیبانی گسترده از رابط و اکوسیستم توسعه بالغعلاوه بر این، ادغام عمیق پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9 با منطق قابل برنامه ریزی، الگوی طراحی کارآمد را که با طراحی مشترک سخت افزار مشخص می شود، امکان پذیر کرده است.

I. تجزیه و تحلیل اصلی موقعیت و نامگذاریXC7Z020-1CLG400Cتراشه

XC7Z020-1CLG400C یک مدل اصلی در سری Xilinx Zynq-7000 از SoC ها است که در دسته بندی از همه SoC های قابل برنامه ریزی قرار دارد. موقعیت اصلی آن ارائه عملکرد بالا است.راه حل های محاسباتی متضاد بسیار انعطاف پذیر و مقرون به صرفه برای کاربردهای جاسازی شده با پیچیدگی متوسط تا کمنام مدل آن شامل اطلاعات کلیدی مشخصات، تسهیل شناسایی سریع و انتخاب توسط مهندسان:

- XC: مقدمه استاندارد برای تراشه های Xilinx، نشان می دهد که تراشه توسط Xilinx طراحی و تولید شده است.

- 7Z: نشان دهنده سری Zynq-7000 است، که در آن 7 به معماری FPGA سری 7 مربوط می شود و ZZ SoC ناهمگن Zynq را نشان می دهد.

- 020: نشان دهنده مدل تراشه خاص است که با مقیاس منابع منطقی (تعداد متوسط تا پایین) مطابقت دارد.که آن را از مدل های 7010 (طرح پایین) و 7030 (طرح بالا) در یک سری متفاوت می کند;

- -1: درجه سرعت را نشان می دهد، که مربوط به بهینه سازی عملکرد در سطح صنعتی است، با اولویت مصرف انرژی پایین و ثبات،با بهره وری عملیاتی مدار منطقی متناسب با الزامات کاربرد صنعتی;

- CLG400: مشخصات بسته را نشان می دهد، با استفاده از بسته BGA سری CLG با 400 پین؛ اندازه بسته فشرده مناسب برای طرح های PCB با چگالی بالا است.

- C: نشان دهنده محدوده دمای درجه تجاری (0 °C تا 85 °C) است، در حالی که نیازهای اساسی ثبات کاربردهای صنعتی، تعادل هزینه و قابلیت اطمینان را برآورده می کند.

این تراشه از یک فرآیند CMOS 40nm (یک فرآیند بالغ برای معماری Artic-7) استفاده می کند که هزینه های تولید را کاهش می دهد و در عین حال عملکرد را تضمین می کند.آن را مناسب برای کنترل هزینه در محصولات تولید انبوه و یک انتخاب ایده آل برای هر دو تایید نمونه اولیه و تولید انبوه است.

II.XC7Z020-1CLG400Cمعماری هسته ای: همگرایی ناهمگن دو هسته ای ARM Cortex-A9 و FPGA

نوآوری اصلی XC7Z020-1CLG400C در معماری محکم متصل شده سیستم پردازش (PS) + منطق قابل برنامه ریزی (PL) است.این دو جزء با سرعت نانوسانتی از طریق یک اتوبوس AXI با سرعت بالا در تراشه تعامل دارند.، بسیار فراتر از کارایی ارتباطات راه حل های سنتی “ARM ” + FPGA ”.این واقعاً فلسفه طراحی همکاری از "برنامه های سخت افزاری تعریف شده توسط نرم افزار و نرم افزار شتاب دهنده سخت افزاری" را تحقق می بخشد.معماری هسته ای به دو بخش تقسیم شده است: طرف PS (دوباره هسته ای ARM Cortex-A9) و طرف PL (Artix-7 FPGA).

طرف PS: هسته های پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9

سمت PS به عنوان هسته محاسبات عمومی استفاده می شود که شامل دو پردازنده ARM Cortex-A9 MPCore است.که به طور خاص برای کاربردهای جاسازی شده با عملکرد متوسط تا بالا طراحی شده استویژگی های اصلی این است:

پارامترهای عملکرد: فرکانس کار تا 667 مگاهرتز (کار پایدار در 650 مگاهرتز در شرایط معمولی) ، با پشتیبانی از مقیاس فرکانس پویا؛DMIPS تک هسته ای (Dhrystone MIPS) تقریباً 1.98، در حالی که توانایی محاسباتی نظری هر دو هسته به صورت ترکیبی به 2,668 DMIPS می رسد و به طور کامل نیازهای محاسبات کلی را از سناریوهای مانند کنترل صنعتی برآورده می کند،محاسبات حاشیه ای و پردازش پروتکل ارتباطات;

- پیکربندی کش: هر هسته مجهز به یک کش آموزش سطح 1 32 کیلو بایت مستقل (I-Cache) و یک کش داده سطح 1 32 کیلو بایت (D-Cache) است. هر دو هسته دارای یک کش سطح 2 512 کیلو بایت (L2 Cache) هستند.که از اصلاح خطای ECC پشتیبانی می کند، به طور موثر افزایش بهره وری دسترسی به داده ها و ثبات انتقال داده ها در حالی که کاهش از دست دادن عملکرد ناشی از اشتباهات حافظه حافظه؛

- مقیاس پذیری: از هم پردازنده ARM NEON SIMD و واحد نقطه شناور دوگانه دقیق VFPv3 پشتیبانی می کند که پردازش کارآمد داده های چند رسانه ای و عملیات نقطه شناور را امکان پذیر می کند.و برای سناریوهای مانند نتیجه گیری هوش مصنوعی سبک و پردازش سیگنال مناسب است؛ پشتیبانی از تکنولوژی امنیتی TrustZone، مجموعه دستورالعمل Thumb-2 و محیط اجرای Jazelle RCT، تعادل امنیت با بهره وری اجرای دستورالعمل؛

- حافظه و کنترل روی تراشه: 256 کیلو بایت رم روی تراشه (OCM) یکپارچه با تاخیر دسترسی تا 10 چرخه ساعت، مناسب برای ذخیره تصاویر بوت، جداول بردار وقفه و داده های بحرانی در زمان واقعی،امکان بوت کردن و کار کردن بدون نیاز به حافظه خارجی؛ ROM بوت در تراشه ساخته شده که از چندین روش بوت (JTAG، کارت SD، QSPI Flash و غیره) پشتیبانی می کند، مناسب برای سناریوهای مختلف توسعه و تولید انبوه است.

علاوه بر این، طرف PS مجموعه ای جامع از کنترل کننده های محیطی را از جمله یک کنترل کننده حافظه DDR3 / DDR3L (حامی رابط های 16 بیتی یا 32 بیتی با حداکثر سرعت 1866 Mbps) ادغام می کند.,دو MAC Ethernet سه سرعت 10/100/1000، دو دستگاه USB 2.0 OTG و چندین رابط UART، SPI و I2C، که امکان اتصال مستقیم به دستگاه های ذخیره سازی و ارتباطات خارجی را فراهم می کند،در نتیجه کاهش هزینه های مربوط به انتخاب و قرار دادن تراشه های محیطی.

طرف PL: معماری Artix-7 منابع منطقی قابل برنامه ریزی

طرف PL به عنوان هسته تسریع سخت افزاری تراشه عمل می کند. بر اساس معماری FPGA Xilinx Artix-7 ، منابع منطقی قابل برنامه ریزی گسترده ای را فراهم می کند ،اجازه می دهد تا توابع سخت افزاری مطابق با الزامات برای دستیابی به پردازش داده های با سرعت بالا سفارشی شوند.، گسترش رابط سفارشی و بیشتر. پیکربندی منبع اصلی به شرح زیر است:

- عناصر منطقی (LE): 53200 عنصر منطقی را فراهم می کند که قادر به اجرای توابع منطقی دیجیتال پیچیده مانند تمدیدات اتوبوس UART / CAN، الگوریتم های کنترل موتور و پیش پردازش تصویر است.در مقایسه با مدل های 7010 (28k LE) و 7030 (110k LE) در همان سری، این مقیاس منابع به طور کامل الزامات چرخه عمر کامل را از “تایید نمونه اولیه تا انتشار انبوه” پوشش می دهد.

- منابع حافظه: شامل ۲٫۱ مگابیت بلاک رم (BRAM) ، قابل تنظیم در حالت دوگانه ۱۸ کیلو بایت، پشتیبانی از دسترسی دو پورت واقعی است.و کاربردهای مشابه، پاسخگویی به خواسته های سناریوهای پردازش داده های پهنای باند بالا

- منابع DSP: مجهز به 240 واحد پردازش سیگنال دیجیتال (DSP Slices) ، قادر به اجرای کارآمد الگوریتم های پردازش سیگنال دیجیتال مانند فیلتر،تحول فوریه سریع (FFT) و پیچیدگی، مناسب برای شتاب سخت افزار در سناریوهای مانند بینایی ماشین و پردازش صوتی؛

- منابع I/O: 220 پین I/O کاربر را فراهم می کند، که از ولتاژ های چند سطح 3.3V/1.8V/1.5V پشتیبانی می کند و امکان رابط انعطاف پذیر با دستگاه های خارجی را که در سطوح ولتاژ مختلف کار می کنند فراهم می کند.همچنین از گسترش GPIO (تا 64 پین GPIO) پشتیبانی می کند، پاسخگویی به الزامات اتصال برای چند سنسور و محرک در برنامه های کنترل صنعتی.

مکانیسم همکاری بین PS و PL

طرف های PS و PL از طریق یک اتوبوس AXI 4.0 به شدت متصل شده اند و پهنای باند بیش از 10 گیگابایت / ثانیه و تاخیر تعامل به اندازه محدوده نانو ثانیه را ارائه می دهند.در مقایسه با تاخیر سطح میکروسکنید اتوبوس های خارجی سنتی (مانند PCIe و پورت های سریالی)این مکانیسم همکاری به توسعه دهندگان اجازه می دهد تا وظایف را به طور مناسب اختصاص دهند:طرف PS مسئول اجرای سیستم عامل (مانند لینوکس) است.، FreeRTOS یا VxWorks) و مدیریت منطق نرم افزاری پیچیده (مانند پشتهای پروتکل، تعامل انسان و ماشین و تصمیم گیری داده) ؛طرف PL مسئول اجرای شتاب دهنده سخت افزاری (مانند پیش پردازش تصویر) است.، پاسخ I / O با سرعت بالا و تجزیه و تحلیل پروتکل سفارشی). کار در کنار هم، این دو انعطاف پذیری سیستم را تضمین می کنند در حالی که عملکرد کلی را افزایش می دهند.

III. مزیت های اصلیXC7Z020-1CLG400C

1همگرایی ناهمگن، تعادل انعطاف پذیری و عملکرد: شکستن محدودیت های طراحی های جداگانه سنتی پردازنده + FPGAاین راه حل تک تراشه ای کامپیوتری عمومی را با قابلیت های شتاب سخت افزار ادغام می کند.. طرف PS توسعه نرم افزار انعطاف پذیر را تسهیل می کند، در حالی که طرف PL تسریع سخت افزاری سفارشی را اجرا می کند، به طور قابل توجهی ادغام سیستم را افزایش می دهد و چرخه های توسعه را کوتاه می کند.

2عملکرد متعادل، مناسب برای سناریوهای متعدد: قدرت محاسباتی پردازنده دو هسته ای Cortex-A9 نیازهای وظایف عمومی متوسط تا کم پیچیدگی را برآورده می کند.در حالی که منابع منطقی طرف PL می تواند به طور انعطاف پذیر با الزامات سخت افزاری از پیچیدگی متفاوت سازگار شود، از گسترش رابط ساده تا شتاب الگوریتم پیچیده، که طیف گسترده ای از سناریوهای کاربردی را پوشش می دهد؛

3مصرف انرژی پایین و قابلیت اطمینان بالا: با استفاده از یک فرآیند بالغ 40nm همراه با بهینه سازی درجه -1 سرعت، مصرف انرژی در بار کامل تنها 1.5W است.پشتیبانی از مقیاس فرکانس پویا و حالت خواب ماژول جزئی نیازهای حرارتی تجهیزات صنعتی بدون فن را برآورده می کند: محدوده دمای درجه تجاری هزینه را با ثبات درجه صنعتی متعادل می کند و آن را برای استفاده در محیط های خشن مناسب می کند.

4رابط های غنی، طراحی محیطی ساده: رابط های ارتباطی اصلی مانند گیگابیت اترن، USB و CAN، و همچنین یک کنترل کننده حافظه DDR3 را ادغام می کند.امکان اجرای توابع اصلی بدون نیاز به تراشه های خارجی اضافی، در نتیجه پیچیدگی طرح PCB و هزینه های سخت افزاری را کاهش می دهد؛

5اکوسیستم توسعه بالغ، کاهش موانع توسعه: استفاده از زنجیره ابزار توسعه جامع Xilinx، از طراحی مشترک سخت افزار و نرم افزار پشتیبانی می کند.کاهش قابل توجهی از پیچیدگی توسعه سیستم های ناهمگن، در حالی که بسیاری از طرح های مرجع و هسته های IP را برای تسریع در اجرای پروژه فراهم می کند.

IV. سناریوهای کاربردی معمولی برایXC7Z020-1CLG400C

با توجه به ویژگی های عملکردی و مزایای معماری XC7Z020-1CLG400C، به طور گسترده ای در سناریوهای پیچیده از متوسط تا کم مانند کنترل صنعتی، بینایی ماشین استفاده می شود.,دروازه های ارتباطی و محاسبات لبه ای، به عنوان تراشه اصلی که پل های محاسبات عمومی و شتاب سخت افزاری را فراهم می کند.

اتوماسیون صنعتی

در دستگاه هایی مانند PLC ها (کنترلرهای منطقی قابل برنامه ریزی) و کنترل کننده های حرکت، طرف PS یک سیستم عامل در زمان واقعی (مانند VxWorks یا FreeRTOS) را برای پردازش دستورات کنترل منطقی اجرا می کند.وظایف تعامل انسان و ماشین و ارتباطات، در حالی که طرف PL پاسخ I/O با سرعت بالا را اجرا می کند (مانند ورودی / خروجی دیجیتال سطح 200 ns) ،کنترل موتور چند محور (مانند استیک پروتکل برده EtherCAT) و عملیات منطق در سطح سخت افزاریک مطالعه موردی از مشتری نشان می دهد که یک کنترل کننده حرکت با استفاده از این تراشه می تواند به طور همزمان کنترل 8 محور servo را با دقت موقعیت ± 0.01 mm پشتیبانی کند.در حالی که چرخه توسعه را 40 درصد در مقایسه با راه حل های سنتی کاهش می دهد.

دید ماشینی و تشخیص لبه

در دستگاه هایی مانند دوربین های صنعتی و دوربین های هوشمند، طرف PL سرعت بخش سخت افزاری را برای از بین بردن تصویر و استخراج ویژگی ها (به عنوان مثال الگوریتم های SIFT / HOG) امکان پذیر می کند.با سرعت پردازش 10 تا 100 برابر سریعتر از راه حل های نرم افزاری خالص مبتنی بر ARM؛ طرف PS مسئول بارگذاری داده های تصویر پیش پردازش شده به یک سرور از طریق اترنت یا USB است، یا به طور مستقیم دستورات کنترل را تحریک می کند.بعد از اینکه یک سازنده تجهیزات بازرسی چشم این تراشه را به کار گرفت، زمان پیش پردازش برای یک قاب تصویر 1280 × 720 از 120 ms به 15 ms کاهش یافت و به طور موثر کارایی بازرسی خط تولید را بهبود بخشید.

دروازه های ارتباطی و تبدیل پروتکل

با پیشرفت صنعت 4.0، تقاضا برای تبدیل پروتکل بین دستگاه های مختلف (مانند Modbus، Profinet و CANopen) افزایش یافته است.طرف PS XC7Z020-1CLG400C می تواند یک سیستم لینوکس را اجرا کند و استیک های پروتکل را ادغام کند، در حالی که طرف PL تجزیه و تحلیل پروتکل را از طریق هسته های نرم IP (مانند تبدیل RS-485 به اترنت سفارشی) اجرا می کند ، در نهایت عملکرد دروازه ′′ چند ورودی ، چند خروجی ′′ را تحقق می بخشد.تست های عملی نشان می دهد که این تراشه می تواند به طور همزمان پردازش پنج جریان داده از پروتکل های مختلف با تاخیر کمتر از 5 ms و نرخ خطا بیت کمتر از 1e-6.

محاسبات حاشیه ای جاسازی

در دستگاه های حاشیه ای اینترنت اشیا، این تراشه پردازش و تجزیه و تحلیل محلی داده های جمع آوری شده توسط سنسورها را امکان پذیر می کند (مانند نظارت در زمان واقعی و هشدارهای ناهنجاری برای داده های دمای و رطوبت) ،کاهش حجم انتقال داده و بهبود سرعت پاسخ. طرف PS الگوریتم های محاسباتی لایت وزن را اجرا می کند، در حالی که طرف PL به دست آوردن سرعت بالا و پیش پردازش داده های سنسور را مدیریت می کند.از طیف گسترده ای از رابط ها برای برقراری ارتباط و تعامل با دستگاه های دیگر استفاده می کند، که امکان کنترل دستگاه هوشمند را فراهم می کند.

کاربرد های دیگر

علاوه بر این، این تراشه می تواند در الکترونیک خودرو (مانند سیستم های اطلاعات و سرگرمی داخل خودرو و ADAS کمک به راننده پیش پردازش) مورد استفاده قرار گیرد.دستگاه های پزشکی (مانند ابزار تشخیصی قابل حمل)، و الکترونیک مصرفی (مانند ماژول های کنترل ترمینال هوشمند) ، به لطف انعطاف پذیری و مقرون به صرفه آن، انتخاب ترجیحی برای سیستم های جاسازی شده متوسط تا کم پیچیدگی است.

V. خلاصه ازXC7Z020-1CLG400C

SoC سری Xilinx Zynq-7000 ، XC7Z020-1CLG400C ، بر روی یک پردازنده دو هسته ای ARM Cortex-A9 متمرکز است و منابع منطقی قابل برنامه ریزی را بر اساس معماری Artix-7 ادغام می کند.از طریق یک معماری ناهمگن که به شدت به هم متصل است، این یک تعادل کامل بین محاسبات عمومی و شتاب سخت افزار را به دست می آورد. پیکربندی عملکرد متعادل، منابع رابط غنی، مصرف انرژی کم،قابلیت اطمینان بالا و اکوسیستم توسعه بالغ به آن مزایای قابل توجهی در سناریوهای پیچیده از متوسط تا کم مانند کنترل صنعتی می دهد.، چشم انداز ماشینی و دروازه های ارتباطی.این نه تنها نیازهای کنترل هزینه محصولات تولید انبوه را برآورده می کند بلکه همچنین به طور انعطاف پذیر به نیازهای سفارشی سازی عملکردی سناریوهای مختلف سازگار می شود، که به عنوان یک پل اصلی در ارتباط با انعطاف پذیری نرم افزار با عملکرد سخت افزاری بالا عمل می کند.

برای توسعه دهندگان این تراشه نه تنها آستانه توسعه برای سیستم های ناهمگن را کاهش می دهد بلکه چرخه های توسعه پروژه را کوتاه می کند و ادغام سیستم را افزایش می دهد،که باعث می شود آن را یک انتخاب ایده آل برای هر دو اعتبار نمونه اولیه و تولید انبوه استبرای کاربردهای صنعتی، معماری همگرا ′′ARM+FPGA′′ آن پشتیبانی سخت افزاری قابل اعتماد برای توسعه هوشمند و کارآمد سیستم های جاسازی شده را فراهم می کند.افزایش تکنولوژی در بخش هایی مانند صنعت و اینترنت اشیاء.