Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC多核异构架构设计详解

随着人们对计算性能需求的增加以及数据量的显著提升，嵌入式领域传统的微处理器和外设的系统架构设计显得越来越微不足道，除此之外很多应用还要求系统在满足相关行业标准的同时还需要具有可靠性和安全性。目前在单一的处理器上同时满足处理高带宽数据、执行系统应用程序、响应实时任务请求并满足行业安全标准似乎很难，因此多核异构处理器架构应运而生。一个多核异构处理系统一般由不同类型的多个单核心或多核心处理器组成，最简单的形式是由一个多核处理器和GPU组成。

图1：异构多核处理器的时代已经到来

作为行业的领导者Xilinx正在从产品、工具和理念上来推动从传统可编程逻辑器件向“All Programmable（全可编程）”的转变。Zynq UltraScale+ MPSoC是Xilinx推出的第二代多处理器SoC器件，采用了16nm FinFET+工艺技术，共分为CG、EG和EV三个系列，都集成了多核应用处理器（四核ARM Cortex-A53应用处理器）、多核图形处理器（双核ARM Mali-400图形处理器）、多核实时处理器（双核ARM Cortex-R5实时处理器）、平台管理单元（电源管理、错误管理、配置管理以及安全管理）和可编程逻辑资源（高性能计算和丰富I/O扩展等）。与上一代ZYNQ-7000系列相比，其在加密、安全、电源管理和性能方面都得到了显著的增强。

图2：传统系统架构设计向现代一体式整合方式的转变

传统的嵌入式系统设计一般都会采用一个或者多个微处理器来实现数据采集、数据处理、人机界面、系统控制等功能，这种方式明显使得系统变得复杂，需要设计生产多块PCB板卡，增加系统成本。采用异构多核处理器所有功能都可以用一个处理器来实现，降低了系统PCB设计成本和系统复杂度，但是这对工程师则提出了更高的要求。

对于Zynq UltraScale+ MPSoC的开发，Xilinx为工程师提供了丰富的软硬件设计工具和参考设计产品组合，Vivado设计工具与NI matlab工具相结合实现IP的抽象设计与自动化，能够大幅度简化编程并提高生产，借助SDSoC工具也可以实现整个嵌入式系统的设计，同时让不会Verilog/VHDL语言的软件工程师使用逻辑资源为ARM程序加速。