Blog về công ty Cung cấp/Tái chế chip Xilinx Zynq™ 7000 SoC với khả năng lập trình phần cứng và phần mềm

Mingjiada Cung cấp/Tái chế Xilinx Zynq™ 7000 SoC với khả năng lập trình phần cứng và phần mềm

I. Kiến trúc lõi: Sự kết hợp hoàn hảo giữa khả năng lập trình phần mềm và phần cứng

Ưu điểm cốt lõi của dòng Zynq™ 7000 SoC nằm ở kiến trúc tích hợp độc đáo ‘Hệ thống xử lý (PS) + Logic có thể lập trình (PL)’. Hai thành phần này được tích hợp chặt chẽ thông qua bus kết nối AMBA®-AXI băng thông cao, cho phép cộng tác liền mạch và phân bổ linh hoạt các tài nguyên phần mềm và phần cứng. Cách tiếp cận này giữ được sự tiện lợi của phần mềm đồng thời mang lại hiệu suất cao và khả năng tùy chỉnh của phần cứng.

1. Lõi lập trình phần mềm: Hệ thống xử lý (PS)

Hệ thống xử lý (PS) đóng vai trò là ‘bộ não’ của Zynq™ 7000 SoC, sử dụng bộ xử lý ARM® Cortex®-A9 hiệu suất cao. Có sẵn ở cấu hình lõi đơn (dòng Zynq 7000S) và lõi kép (dòng Zynq 7000), nó hoạt động ở tần số lên tới 1GHz, mang lại khả năng xử lý phần mềm và khả năng tương thích vượt trội. PS tích hợp kiến trúc bộ nhớ hoàn chỉnh và các giao diện ngoại vi phong phú bên trong, cho phép các chức năng điều khiển cốt lõi mà không cần chip mở rộng bổ sung và đơn giản hóa đáng kể thiết kế hệ thống.

Đối với lưu trữ, PS có 32KB bộ nhớ đệm lệnh và dữ liệu L1 độc lập cho mỗi lõi CPU, bộ nhớ đệm L2 dùng chung 512KB và bộ nhớ trên chip (OCM) 256KB có khả năng lưu trữ trực tiếp các hệ điều hành thời gian thực. Nó hỗ trợ nhiều loại bộ nhớ ngoài bao gồm DDR3, DDR3L, DDR2 và LPDDR2, với không gian địa chỉ tối đa 1GB để đáp ứng các yêu cầu lưu trữ ứng dụng đa dạng. Các giao diện ngoại vi bao gồm Ethernet Gigabit kép, USB 2.0 OTG, SD/SDIO, UART, CAN 2.0B, I2C, SPI và bộ điều khiển DMA. Điều này tạo điều kiện cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao giữa bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi, đáp ứng các yêu cầu kết nối của hầu hết các ứng dụng nhúng.

Ở cấp độ phần mềm, PS hỗ trợ nhiều hệ điều hành bao gồm Linux, FreeRTOS và Android, cùng với các chế độ phát triển bare-metal. Các nhà phát triển có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình quen thuộc như C/C++ để phát triển ứng dụng mà không yêu cầu chuyên môn về ngôn ngữ mô tả phần cứng phức tạp, làm giảm đáng kể ngưỡng phát triển phần mềm. Đồng thời, tận dụng công nghệ ARM TrustZone® và các cơ chế khởi động an toàn (dựa trên xác thực RSA và giải mã AES-256), nó cho phép bảo vệ bảo mật phần mềm và phần cứng nhiều lớp, đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hoạt động hệ thống.

2. Lõi lập trình phần cứng: Logic có thể lập trình (PL)

Logic có thể lập trình (PL) đóng vai trò là ‘công cụ tùy chỉnh’ của Zynq™ 7000 SoC. Dựa trên kiến trúc FPGA dòng 7 nm 28 của Xilinx (Artix™ 7 hoặc Kintex™ 7), nó cung cấp khả năng lập trình phần cứng cao. Các chức năng logic có thể được cấu hình linh hoạt theo yêu cầu ứng dụng để đáp ứng nhu cầu tùy chỉnh như tăng tốc phần cứng và các thiết bị ngoại vi tùy chỉnh.

Phần PL bao gồm các tài nguyên phần cứng phong phú, bao gồm các ô logic (lên tới 444K), RAM khối (lên tới 26,5Mb), các lát DSP (lên tới 2020) và các bộ thu phát tốc độ cao (lên tới 12,5Gb/s, tối đa 16). Các lát DSP cung cấp hiệu suất xử lý tín hiệu song song hơn 2.662 GMAC, làm cho chúng rất phù hợp cho các tác vụ đòi hỏi tính toán cao như xử lý video và phân tích tín hiệu. Các bộ thu phát tốc độ cao hỗ trợ kết nối ngoài chip nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu băng thông cho các ứng dụng như video độ nét cao và truyền thông tốc độ cao. Hơn nữa, PL hỗ trợ cấu hình lại một phần, cho phép điều chỉnh động logic phần cứng trong quá trình hoạt động của hệ thống để nâng cấp chức năng linh hoạt và chuyển đổi mà không cần khởi động lại hệ thống.

Đối với phát triển phần cứng, các kỹ sư có thể sử dụng các công cụ Vivado® Design Suite và High-Level Synthesis (HLS) của Xilinx để thiết kế logic PL bằng RTL hoặc các ngôn ngữ cấp cao như C/C++ và OpenCL. Cách tiếp cận này nhúng các thuật toán phức tạp và các tác vụ tính toán dưới dạng logic phần cứng, mang lại tốc độ xử lý vượt xa phần mềm đồng thời giảm mức tiêu thụ điện năng của hệ thống.

3. Sự cộng hưởng phần mềm-phần cứng: Vượt qua các điểm nghẽn hiệu suất

PS và PL trong Zynq™ 7000 SoC trao đổi dữ liệu thông qua bus kết nối AXI cung cấp băng thông lên tới 100Gb/s. Điều này giải quyết các điểm nghẽn về độ trễ truyền dữ liệu cao và băng thông hạn chế vốn có trong các hệ thống rời rạc truyền thống, nơi bộ xử lý và FPGA hoạt động riêng biệt. Kiến trúc cộng tác này cho phép phân chia công việc, trong đó ‘phần mềm xử lý điều khiển và quản lý, trong khi phần cứng xử lý tính toán và tăng tốc’: PS chạy hệ điều hành và ứng dụng, quản lý lịch trình hệ thống, điều khiển ngoại vi và các quyết định xử lý dữ liệu; PL cung cấp tăng tốc phần cứng cho các tác vụ thời gian thực, đòi hỏi tính toán cao như mã hóa/giải mã video, xử lý hình ảnh và lọc tín hiệu. Hoạt động song song, chúng đảm bảo tính linh hoạt của hệ thống đồng thời tối đa hóa hiệu suất xử lý.

Hơn nữa, PS có thể cấu hình trực tiếp các chức năng logic của PL, cho phép thích ứng hệ thống động. Các nhà phát triển có thể điều chỉnh logic phần cứng của PL thông qua các bản cập nhật phần mềm để phản ứng với các kịch bản ứng dụng thay đổi mà không cần sửa đổi mạch vật lý. Điều này tăng cường đáng kể khả năng mở rộng và tái sử dụng của hệ thống đồng thời kéo dài vòng đời sản phẩm.

II. Phân loại sản phẩm: Một dòng sản phẩm có khả năng mở rộng hoàn chỉnh bao phủ mọi kịch bản

Dòng Zynq™ 7000 SoC bao gồm hai dòng phụ: Zynq 7000S và Zynq 7000. Cung cấp nhiều mẫu mã, nó cho phép lựa chọn linh hoạt dựa trên yêu cầu hiệu suất và chi phí ứng dụng, đạt được phạm vi bao phủ toàn diện từ các ứng dụng cấp thấp chi phí thấp đến các ứng dụng cao cấp hiệu suất cao. Nền tảng SoC có khả năng mở rộng hoàn chỉnh này mang lại hiệu suất trên mỗi watt vượt trội và hiệu quả chi phí đặc biệt.

1. Dòng Zynq 7000S: Giải pháp cấp nhập khẩu chi phí thấp

Là sản phẩm cấp nhập khẩu chi phí thấp, dòng Zynq 7000S tích hợp bộ xử lý Arm® Cortex®-A9 lõi đơn kết hợp với logic Artix™ 7 28nm có thể lập trình, hoạt động ở tần số lên tới 766MHz. Dòng sản phẩm này bao gồm ba mẫu: Z-7007S, Z-7012S và Z-7014S. Phạm vi ô logic từ 23K đến 65K, RAM khối từ 1,8Mb đến 3,8Mb, các lát DSP từ 60 đến 170, với số lượng chân I/O tối đa là 200. Các mẫu được chọn tích hợp bốn bộ thu phát 6,25Gb/s.

Tập trung vào hiệu quả chi phí cao, dòng sản phẩm này tích hợp các thiết bị ngoại vi cứng đa dụng để đạt được tích hợp hệ thống với chi phí tối ưu. Nó lý tưởng cho các ứng dụng IoT công nghiệp như điều khiển động cơ, mô-đun I/O, cảm biến thông minh và lưới điện thông minh, đáp ứng các yêu cầu nhúng cấp nhập khẩu về chi phí thấp và tiêu thụ điện năng thấp.

2. Dòng Zynq 7000: Giải pháp đa chức năng, hiệu suất cao

Là dòng sản phẩm hiệu suất cao hàng đầu, dòng Zynq 7000 tích hợp bộ xử lý Arm Cortex-A9 lõi kép cùng với logic có thể lập trình dựa trên Artix 7 hoặc Kintex 7 28nm, hoạt động ở tần số lên tới 1GHz. Dòng sản phẩm này bao gồm bảy mẫu: Z-7010, Z-7015, Z-7020, Z-7030, Z-7035, Z-7045, Z-7100, cung cấp phạm vi ô logic từ 28K đến 444K, dung lượng RAM khối từ 2,1Mb đến 26,5Mb, các lát DSP từ 80 đến 2020 và số lượng chân I/O tối đa là 400. Các biến thể cao cấp tích hợp 16 bộ thu phát hoạt động ở tốc độ 12,5Gb/s.

Dòng sản phẩm này mang lại hiệu suất trên mỗi watt vượt trội và tính linh hoạt trong thiết kế đặc biệt, cho phép các thiết kế có sự khác biệt cao. Nó phù hợp cho các ứng dụng nhúng tầm trung đến cao cấp như hệ thống hỗ trợ lái xe đa camera, TV độ nét siêu cao 4K2K, trạm gốc di động nhỏ, thị giác máy trong tự động hóa công nghiệp và nội soi y tế, đáp ứng nhu cầu về hiệu suất cao, băng thông cao và khả năng đa nhiệm.

III. Ưu điểm cốt lõi: Giá trị đa diện từ khả năng lập trình phần mềm và phần cứng

1. Tích hợp cao giúp giảm độ phức tạp và chi phí thiết kế

Zynq™ 7000 SoC tích hợp CPU, FPGA, DSP, ASSP, khả năng tín hiệu hỗn hợp và các thiết bị ngoại vi phong phú trên một chip duy nhất. Điều này thay thế kiến trúc rời rạc truyền thống ‘bộ xử lý + FPGA + chip ngoại vi’, giảm đáng kể diện tích PCB, giảm chi phí danh sách vật liệu (BOM) và độ phức tạp thiết kế, đồng thời tăng cường độ tin cậy và ổn định của hệ thống. Hơn nữa, các thiết bị AMD thường có tuổi thọ dịch vụ vượt quá 15 năm, với dòng Zynq 7000 hỗ trợ hoạt động liên tục cho đến năm 2040, đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy trong suốt vòng đời thiết kế.

2. Khả năng lập trình linh hoạt cho khả năng thích ứng đa kịch bản

Ở cấp độ phần mềm, nó hỗ trợ nhiều hệ điều hành và ngôn ngữ phát triển, cho phép chu kỳ phát triển ngắn và tính linh hoạt cao. Ở cấp độ phần cứng, Logic có thể lập trình (PL) có thể được tùy chỉnh để triển khai các chức năng logic dành riêng cho ứng dụng, đạt được tăng tốc phần cứng và các thiết bị ngoại vi tùy chỉnh mà không cần thiết kế lại mạch phần cứng. Khả năng lập trình kép này cho phép Zynq™ 7000 SoC thích ứng với các yêu cầu đa dạng của ngành và ứng dụng, cung cấp các giải pháp tùy chỉnh từ điều khiển công nghiệp chi phí thấp đến thiết bị thông minh cao cấp.

3. Tỷ lệ hiệu suất trên mỗi watt cao: Cân bằng hiệu suất và hiệu quả năng lượng

Thông qua thiết kế kiến trúc được tối ưu hóa tỉ mỉ, Zynq™ 7000 SoC đạt được tỷ lệ hiệu suất trên mỗi watt vượt trội: bộ xử lý ARM Cortex-A9 hoạt động nhanh hơn 25% so với các SoC cạnh tranh tương đương, trong khi logic FPGA chạy nhanh hơn 66% so với các kiến trúc tương đương. So với các giải pháp cạnh tranh, nó mang lại lợi thế 55% về mức tiêu thụ điện năng. Ngoài ra, cả PS và PL đều hỗ trợ nhiều chế độ năng lượng thấp, điều chỉnh động mức tiêu thụ điện năng dựa trên khối lượng công việc để đáp ứng các yêu cầu năng lượng thấp của thiết bị nhúng.

4. Hệ sinh thái phát triển toàn diện giúp tăng tốc thời gian đưa ra thị trường

Xilinx cung cấp một bộ công cụ phát triển và hỗ trợ hệ sinh thái hoàn chỉnh từ đầu đến cuối cho dòng Zynq™ 7000 SoC, bao gồm Vivado Design Suite (thiết kế phần cứng), môi trường phát triển SDSoC (tối ưu hóa toàn hệ thống C/C++), Xilinx SDK (phát triển phần mềm), cùng với các thư viện IP phong phú, thiết kế tham chiếu, bộ phát triển (như bộ kit đánh giá ZedBoard và ZC702) và các nền tảng phát triển ảo cho phép tạo mẫu không cần phần cứng. Hơn nữa, thông qua Cộng đồng Đối tác ARM và Chương trình Liên minh Xilinx, các nhà phát triển có quyền truy cập vào các công cụ và tài nguyên của bên thứ ba bổ sung, giảm đáng kể chu kỳ phát triển và tăng tốc thời gian đưa ra thị trường.

IV. Kịch bản ứng dụng điển hình: Thúc đẩy đổi mới trên nhiều ngành công nghiệp

Tận dụng khả năng phần cứng và phần mềm có thể lập trình độc đáo của mình, dòng Zynq™ 7000 SoC được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp, ô tô, truyền thông, y tế và điện tử tiêu dùng, đóng vai trò là thành phần cốt lõi thúc đẩy đổi mới hệ thống nhúng.

1. Tự động hóa công nghiệp

Trong môi trường công nghiệp, Zynq™ 7000 SoC cho phép các chức năng như điều khiển động cơ, thị giác máy và truyền thông công nghiệp. PS xử lý lịch trình hệ thống và xử lý giao thức truyền thông, trong khi PL triển khai các thuật toán điều khiển động cơ có độ chính xác cao và tăng tốc thu thập và xử lý hình ảnh. Điều này làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng bao gồm điều khiển động cơ nhiều trục, xử lý dữ liệu cảm biến thông minh và robot công nghiệp, nâng cao khả năng thông minh và thời gian thực của thiết bị công nghiệp.

2. Điện tử ô tô

Trong lĩnh vực ô tô, Zynq™ 7000 SoC chủ yếu phục vụ các hệ thống hỗ trợ lái xe (ADAS). PL cung cấp tăng tốc phần cứng cho việc thu thập video đa camera, nhận dạng và xử lý hình ảnh, trong khi PS xử lý hợp nhất dữ liệu, ra quyết định và truyền thông. Điều này hỗ trợ các tính năng như cảnh báo chệch làn đường và phanh khẩn cấp tự động, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của điện tử ô tô về độ tin cậy cao, tiêu thụ điện năng thấp và an toàn.

3. Truyền thông và mạng

Trong lĩnh vực truyền thông, Zynq™ 7000 SoC được triển khai trong các trạm gốc di động nhỏ, bộ chuyển mạch mạng, bộ định tuyến và các thiết bị tương tự. PL xử lý xử lý tín hiệu tốc độ cao, phân tích giao thức và tăng tốc chuyển tiếp dữ liệu, trong khi PS quản lý quản trị hệ thống và điều khiển mạng. Tận dụng các bộ thu phát tốc độ cao và khả năng kết nối băng thông cao, nó đáp ứng nhu cầu băng thông cao, độ trễ thấp của hệ thống truyền thông.

4. Điện tử y tế và tiêu dùng

Trong các ứng dụng y tế, nó phục vụ nội soi y tế và thiết bị siêu âm. PL thực hiện xử lý và nâng cao hình ảnh y tế thời gian thực, trong khi PS quản lý điều khiển thiết bị và lưu trữ dữ liệu, nâng cao chất lượng hình ảnh và sự tiện lợi khi vận hành. Trong điện tử tiêu dùng, nó cung cấp năng lượng cho TV 4K Ultra HD và các hộp giải mã thông minh, cung cấp tăng tốc phần cứng cho mã hóa/giải mã video và xử lý hình ảnh để mang lại trải nghiệm âm thanh và hình ảnh liền mạch.

【Sản phẩm liên quan】

XC7Z020-L1CLG484I

XC7Z020-2CLG400E

XC7Z020-3CLG400E

XC7Z020-1CLG400C

XC7Z020-1CLG484I

XC7Z020-L1CLG400I

XC7Z020-2CLG484I

XC7Z020-1CLG400I

XC7Z020-2CLG400I

XC7Z020-1CLG484C

XC7Z020-2CLG484E

XC7Z020-3CLG484E