Xilinx 7系列设备和NI cRIO-9068控制器创新详解

新的NI cRIO-9068可重配置机箱和NI PXIe-7975R NI FlexRIO FPGA模块采用的是Xilinx 7系列完全可编程FPGA和SoC设备。如果要深入理解NI新的可重配置I/ O(RIO)技术，需先了解Xilinx 7系列设备和NI cRIO-9068控制器中的创新之处。

FPGA的供应商通常是率先使用新硅工艺开发设备的先驱者。在FPGA刚问世之时，FPGA供应商可以利用摩尔定律，在使FPGA具有比前一代设备高出一倍容量的同时提高系统性能和降低功耗。 FPGA一开始用作为补充专用集成电路(ASIC)功能的胶合逻辑器件，现在在设计中已逐渐取代ASIC和专用标准产品(ASSP)。在过去10年中，Xilinx采用了最新的工艺和优化的FPGA架构，其器件集成了更为先进的系统功能（如微处理器内核、数字信号处理(DSP)片、RAM、用于PCI Express和USB的外设控制器、高速I / O）和FPGA周边，系统价值远高于传统逻辑器件，同时也将系统的可编程性推向了一个新的高度，这是ASIC和ASSP所无法实现的。

2008年，Xilinx开始计划开发7系列器件。公司各部门团结协作，扩展了“可编程”的定义，在28nm节点上不仅提供了工业最先进的FPGA，而且还开发了改变编程规则的完全可编程SoC和3D IC系列产品。NI在帮助定义Xilinx 7系列器件的要求上也发挥了关键作用。

Xilinx 7系列的一个主要区别在于Xilinx选择28nm节点的硅工艺技术。Xilinx并没有选择***积体电路公司(TSMC)针对PC上的显卡芯片量身定制的28nm高性能工艺或针对移动电话ASSP的28nm低功耗工艺，而是与TSMC合作开发专门针对FPGA要求的工艺。这一新工艺称为TSMC 28nm HPL（高性能低功耗）工艺技术，为Xilinx FPGA的所有市场提供最佳的性能和功耗组合。这实质上意味着需要以高性能运行的设计的功耗，而成本并不会非常高。相反，如果满足了严格的功耗要求，该设计仍可实现相对较高的性能目标。

由于整个7系列产品组合均采用相同的28nm HPL硅工艺，Xilinx可以更专心地在架构方面进行创新。Xilinx在7系列中引进了所有类型的FPGA，包括低端的Artix-7完全可编程FPGA系列、中端的Kintex-7 完全可编程 FPGA系列以及高端的Virtex-7完全可编程系列。

除了开发全系列的完全可编程FPGA，该公司还成功开发了两款全新的器件：Zynq-7000完全可编程SoC和Virtex-73D IC。这两项发明荣获来自全球多个行业刊物和行业协会授予的创新奖。

NI革命性的RIO产品系列——NI cRIO-9068和NI PXIe-7975R分别采用Zynq-7000完全可编程SoC和Kintex-7完全可编程FPGA。

1. Zynq-7000完全可编程SoC

图 1. Zynq-7000完全可编程SoC在单个芯片中集成了双核ARM Cortex-A9处理系统、28nm FPGA芯片以及关键外设。

Zynq-7000 SoC这一器件屡获多项大奖。它是第一款在单一芯片上结合了双核ARM Cortex-A9处理系统、FPGA芯片和关键设备（图1）的设备。Zynq SoC硅芯片中有超过10,000通路将ARM Cortex-A9处理系统连接至FPGA芯片，使得器件的处理逻辑和可编程逻辑具有连通性，对于通过印刷电路板将独立的基于ARM处理器的ASSP与FPGA相连接的系统来说，这是无法实现的。

该集成是cRIO-9068的主要价值所在，因为增强的互连功能实现了处理器和可编程逻辑之间的16个并行DMA通道和超过300 MB/ s功能带宽，这可显着提升控制器的性能。高DMA通道数还简化了应用程序的开发，因为每个单独的数据流均可以使用一个专用通道，而不需要构建逻辑单元和处理器周期，否则会占用多个通道以及软件的多速率交叉和分选机制。

Zynq SoC的另一个创新之处在于独特的编程模型。Zynq SoC是真正“完全可编程” 的器件。您可以编程其处理系统、FPGA芯片甚至I / O口来创建极其灵活的自定义系统。而且，该器件也是完全可重新编程，这样您可以在设计过程中的任何阶段，甚至将设备部署到现场之后，也可以修改设计。

Zynq SoC并不是第一个在硅芯片中将FPGA芯片与处理器相连接的器件。Xilinx的Virtex FPGA采用的是嵌入式PowerPC处理器。如果要对这些器件进行编程，就必须对FPGA进行编程才能访问处理器。这意味着如果要使用该器件，您需要掌握各种HDL编程技巧和FPGA知识。但是借助Zynq SoC，Xilinx可确保ARM处理系统控制整个芯片的运行。也就是说，处理系统启动后可以控制可编程逻辑。您可以在C / C++或SystemC中创建系统设计并将其编程到Zynq SoC的处理系统中。如果系统某部分的运行速度不如预期的快，则可以使用一个称为Vivado HLS的高层次综合工具将C代码转换成可以在Zynq SoC的FPGA架构上运行的VHDL。这可极大地加快系统的速度。

Xilinx还确保处理系统可在C / C++和SystemC中编程，支持各种应用广泛的操作系统、实时操作系统和软件开发环境。这种广泛的开放式支持使得像NI公司这样的公司能够开发自己的Zynq SoC编程软件，甚至实现更高水平的自动化和生产力。

NI通过直观图形化系统编程工具LabVIEW软件帮助用户更轻松地利用Zynq SoC的特性集。 LabVIEW将Zynq SoC的关键硬件组件和NI模块化C系列I/ O集成在单一开发环境中，让您使用已掌握的相同图形化语言对FPGA和双核CPU进行编程。

7系列的所有设备均统一采用ARM公司的AXI-4总线协议。这意味着，如果您已经创建了用于在基于ARM的系统中执行的IP，您就可以很轻松地将该IP从Xilinx转移到Zynq SoC、Kintex-7 FPGA或任何其他7系列设备。

借助LabVIEW，NI提供了自己的一套专用IP以及统一采用AXI接口的Xilinx CORE Generator IP的访问，专门用于7系列FPGA，因而提高了IP的互操作性，也使得之后的设计维护和改进变得更为轻松。

2. Kintex-7：高性能低功耗的最佳组合

Xilinx于1988年发明了FPGA，并自此开始提供先进的FPGA技术。 Kintex-7产品代表该技术的巅峰之作，也是目前Xilinx 7系列最畅销的设备。该产品系列的与众不同之处在于它们实现了FPGA架构时钟速率性能、低功耗、高速I / O、容量、安全性和可靠性的完美平衡。

这种高度平衡的特性集合使其非常适合用于各种测试和高性能嵌入式应用，如自定义触发、硬件定时测试测序、医疗成像、大型物理控制和监测、超带宽通信和雷达、信号情报、协议感知数字测试、实时视觉算法和软件定义无线电。

新的Kintex-7 FPGA非常适用于NI FlexRIO产品线。该产品系列具有与上一代高端FPGA相同的容量和性能，但功耗却降低了一半。功耗的降低使得每个PXI插槽具有比上一代NI FlexRIO高一倍的数字信号处理能力。而逻辑和DSP资源的增加则可帮助您使用更广泛的信号处理和实时分析来开发更复杂的算法，以满足当今应用日益增长的I/ O数据传输速率和复杂性。与此同时，Kintex-7 FPGA的高值域 I / O所具有的灵活性使得NI能够最大限度提高与现有I / O适配器模块的接口兼容性，使得整个产品系列能够与各种高性能I / O无缝连接。

为了最大程度利用NI FlexRIO增强的处理能力，FPGA需要植入和移除更多的数据。Kintex-7的内置PCI Express 第二代控制器采用点对点(P2P)技术，与主机控制器之间的数据传输速度或直接向其他选定NI PXI模块输入数据的速度提高了两倍。对于临时存储，DDR3内存控制器则帮助NI实现与NI PXIe-7975R 2 GB板载DRAM之间10 GB/s（理论值）的连接。