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Xilinx ZYNQ UltraScale+ MPSoC系列连载 器件概览 Zynq UltraScale+ MPSoC 是 Xilinx 推出的第二代多处理 SoC 系统，在第一代 Zynq-7000 的基础上做了全面升级。 一、概述 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列器件共有四个大的系列，分别是 CG 系列、 EG 系列和 EV 系列，其中 EG 系列和 EV 系列提供汽车级和军品级器件。 相较与上一代 ZYNQ-7000 产品，器件性能优越性主要体现在： a ） PS 性能显著提升： 64bit 四核 1.3GHz Cortex-A53 APU （ CG 系列是双核）；可运行在独立、锁步模式的双核 533MHz Cortex-R5 RPU ； b ）静态存储：采用高达 36Mb 的高密度片上 UltraRAM 静态存储器，在通信等应用中可完美取代片外 SRAM ； c ）高速互联：增强 PS MIO 性能，集成 PCIe2.1 x4 、 SATA3.0 、 DP1.2 、 USB3.0 等高速接口； PL 高速收发器单通道速率达到 32.75Gbps ，集成了 PCI Express Gen 3 x16 、 150G Interlaken 、 100G Ethernet MAC/PCS 等高速互联资源； d ）电源管理：采用先进的 multi-domain ， multi-island 电源管理系统，支持 LPS 子系统（ 符合 ASIL-C 和 SIL3 等标准）和 FPS 子系统（符合 ASIL-B 和 SIL2 等标准）两类功耗模式工作； e ）高速数据转换： RF 系列集成增强的 12bit/4.096GSPS RF 数据直采 ADC 和 14bit/6.554GSPS RF DAC ； f ）视频处理性能： EV 系列集成 H.265/264 视频 Codec ，可提供 10 位像素深度下 4K/P60 的编解码性能； g ）增强的安全性能：支持 4096bit RSA 签名（带 384bit SHA-3 ）和 256bit AES 认证。 除此之外，器件的逻辑量、时钟性能、 DSP 资源、 DDR 控制器带宽、 PS-PL 交互带宽等都得到了大幅度的提升， EV/EG 系列还包括入门级 Mali-400 GPU 。当然，价格上也有了质的提升，便宜的也得数百美金，贵的嘛，高达数十万美金 。下图 1 是 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列器件的共有结构框图。 图 1 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列器件框图 二、 CG 系列器件 CG 系列器件 APU 为双核 A53 ，没有 Video Codec 、 GPU 、只有 16.3Gbps 高速 GTH 收发器资源。 CG 系列器件逻辑资源覆盖 103K~600K 范围，并且有不带高速收发器和 Ultra RAM 资源的 Very Low Cost 版本，封装也有 19 × 19mm A484 和 21 × 21mm A625 的小尺寸封装，是最有望能在一般应用中能用得上、用得起的系列。 CG 系列器件主要针对传感处理系统、电机和控制系统、一般的音视频系统、采集和互联系统、存储系统等领域。 三、 EG 系列器件 EG 系列不含 Video Codec ，但是逻辑规模大、高速互联资源强。该系列逻辑资源覆盖 103K~1143K ， GTH 、 GTY 、 100G EMAC 、 150G Interlaken 、 PCIe Gen3 x16 资源应有尽有， Ultra RAM 和 DSP 资源也特别丰富。 因此， EG 系列的器件特别适合数据中心、云计算、 AI 、机器视觉、高性能医疗仪器等对计算能力要求高、互联通信带宽高时延小的的应用领域。 四、 EV 系列器件 EV 系列器件带 H.265/H.264 Codec 硬核资源，只有三个型号，分别是 ZU4EV （ 192K ）、 ZU5EV （ 256K ）和 ZU7EV （ 504K ），最小的封装是 23 × 23mm 的 C784 ，就目前来价格看，最便宜的约 $400 ，一些高端视觉应用中勉强可以接受。 该系列器件主要针对视觉领域的应用，比如态势感知（ AR/ 全息等）、图像检测识别跟踪等、汽车辅助驾驶（ ADAS ）等高性能视觉应用。 五、 RF 系列器件 RF 系列器件有 ZU21/25/27/28/29DR 5 个型号的器件，除 ZU25DR 外，其他型号的逻辑资源均为 930K 、 Ultra RAM 均为 25Mb 、 DSP Slice 均为 4272 个，其他高速互联资源应有尽有，可以看成是 EV 系列去除 GPU 、增加 RF ADC/DAC 的版本。 RF 系列器件的 ADC 有 12bit/4.096GSPS RF-ADC w/DDC 和 12bit/2.058GSPS RF-ADC w/DDC 两个版本、 14-bit/6.554GSPS RF-DAC w/DUC 。 ZU21/28DR 还集成了 SD-FEC 。最大的目的是想要去掉中频，实现射频直采和直放。 从性能配置上看，该系列器件主要针对的是通信市场，特别是 5G 市场。当然，军民用雷达、全球定位导航系统等也是通通可以用的。 该系列器件提供扩展温度级、工业级和军品级器件，单片价格 $10000 以上，属于禁运清单产品。 六、下一篇 熊猫君最熟悉的领域是视觉和图像处理方向，接下来的连载主要是围绕一个图像处理系统应用展开，有兴趣的同行们可以加入 QQ 群 300148644 或微信公众号“ ZYNQ 分享客”讨论沟通。

Xilinx ZYNQ UltraScale+ MPSoC系列连载 写在前面 一、写在前面 FPGA 是可编程芯片，因此 FPGA 的设计方法包括硬件设计和软件设计两部分。硬件包括 FPGA 芯片电路、存储器、输入输出接口电路以及其他设备；软件即是相应的 HDL 程序以及最新非常流行的基于高层次综合的程序方法，如 Xilinx 的一系列工具 HLS 、 SDSoC 和 Altera 的 SoC EDS 等。 （ 1 ）选择 FPGA （ SoC ）的若干理由 a ） FPGA 具有现场可编程能力，即使产品已经投入市场，也可根据特殊应用重新配置硬件； b ） FPGA 具有强大的并行处理能力； c ） FPGA 具有比 ASIC 设计更短的设计周期和更低设计成本； d ） FPGA 比较易用； e ） 随着半导体技术的突飞猛进， FPGA 越来越成为一种融合处理、 HBM 存储、接口于一体的超级芯片。 （ 2 ）设计提醒 强烈推荐 FPGA 设计遵循自顶向下的设计流程，也就是说从系统级设计开始，划分为若干个二级单元，然后再把各个二级单元划分为下一层次的基本单元，一直下去，直到能够使用基本模块或者 IP 核直接实现为止。 需要特别提醒的是，大规模逻辑设计必须先有完整明确的需求和实现方案后再启动硬件平台和软件设计。否则，任何一个小的改动都可能导致极大的纠正成本甚至整个系统全盘推翻重来。 二、设计小 Tips （ 1 ）明确 FPGA 设计需求 和所有的设计一样， FPGA 设计过程是一个迭代过程，首先是有一个系统的想法，然后将这一想法细化到具体交易中。 需求评估拓扑 （ 2 ）如何选型 FPGA 的硬件设计选型主要考虑如下因素： 1) 器件的供货渠道和开发工具支持 2) 器件的硬件资源 a) 逻辑资源； b) IO 资源（ FPGA 负荷过重、发热，影响速度、稳定性和寿命）； c) 布线资源（影响速度）； d) DSP( 乘法器、矢量浮点加速器 ) 资源； e) 存储器资源（内部 RAM 块和内部和外部的 DDR/SRAM ）等； f) 时钟资源； g) 串行收发器； h) 硬核及集成块。 3) 器件的电气接口特性 4) 器件的速度等级 5) 器件的封装和价格等 （ 3 ）嵌入式设计流程 2 设计流程 这个流程看上去有点像操作系统的层次结构，硬件就是 FPGA 逻辑和底层单元；中间件就是平台相关的可以重复利用的标准协议和接口；应用层执行产品的核心功能。这三个层级是向下验证的，最后实现系统的集成和验证。 更为具体的，针对某种器件，嵌入式工程师的主要工作如下： 图三 设计内容 三、 FPGA 的几种典型应用 a ）运动控制。需要高性能的工业设计领域； b ）电视广播。 SDI 接口已经图像流的优化重构和压缩； c ）通信领域。处理通信过程中的海量并行数据流； d ）汽车辅助驾驶。属于对图像处理、图形、控制的集大成应用； e ）高性能计算。数据库、金融市场加速、地震和医学成像、矩阵数学、 AI 、云计算、机器学习应用等； f ）高端服务器； g ） IO 和总线扩展、桥接。 随着半导体技术的飞速发展，器件的集成度越来越高，集成的硬核和功能块也越来越丰富。 FPGA 各厂商面向不同层次的应用也在不断的拓展， FPGA 必将褪下它贵族的脸孔走入寻常百姓家。 图 4 ADAS 应用 图 5 云计算应用 图 6 无线通信系统 图 7 控制系统与 4G/5G 通信 更多的技术交流，可加入微信公众号或QQ群进行进一步讨论。