第一章：赛灵思（Xilinx）的Zynq的多处理器片上系统（MPSoC）入门综述

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引言

本专栏对赛灵思（Xilinx）的Zynq的多处理器片上系统（MPSoC，Multi-Processor System on Chip）器件进行介绍。它是一个集成片上系统器件，其前身正是Zynq-7000。
Zynq多处理器片上系统MPSoC由多个不同的处理器元件组成，每个处理器原件针对特定的目的进行了优化。比如，MPSoC通常包含一组应用处理器、实时处理器、图形处理器以及现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）的可编程逻辑。
除了Zynq MPSoC架构之外，设计方法和软件工具也非常重要。适当的设计方法使得我们能够利用Zynq MPSoC设备来解决实际设计问题。与以前的设备相比，通过一系列扩展的处理单元，设计人员可充分利用Zynq MPSoC的功能，以达到在系统性能、可靠性、成本、功耗、安全性、上市时间等方面上的预期结果。出于这个原因，本专栏也重点概述了系统开发设置，包括可以部署在处理核心上的设计工具和操作系统。在Xilinx SDx工具中包含了一个特定功能，它允许用户完全使用软件代码来描述系统，然后在各种可用的处理单元之间进行分区。SDx中的SD表示软件定义（Software Defined, SD）
Zynq MPSoC器件的应用多种多样，在Zynq-7000研发经验和MPSoC扩展设备的基础上，我们可以开展一些前沿领域研究。比如，先进自动驾驶系统（ADAS，Advanced Driver Assistance Systems）、计算机视觉（CV，Computer Vision）、软件无线电（SDR，Software Defined Radio）、工业物联网（IIoT，Industrial Internet of Things）。

Zynq的多处理器片上系统（MPSoC）简介

近年来，系统集成已成为一个热门领域。对于像Zynq和Zynq MPSoC这样的片上系统（SoC，System-on-Chip），它们包括可编程逻辑，微处理器和存储器——一个嵌入式系统通常需要的主要部件。实际上，这些设备还包括一些模拟电路，以及支持数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）应用的算术引擎，类似于DSP处理器器提供的功能。如图1所示，Zynq MPSoC器件的基本构成包括处理系统（PS，Processing System）与FPGA可编程逻辑（FPGA Programmable Logic）。这两个部分通过许多高级可扩展接口（AXI，Advanced eXtensible Interface）连接。这种高级结构与Zynq-7000芯片非常相似。

图1 Zynq MPSoC架构的简化图
与Zynq相比，Zynq MPSoC的主要区别在于更进一步的集成化，后者通过扩展处理系统中处理器的选择和数量，并扩展了FPGA的可编程逻辑部分的大小，以及增加了PS和PL之间AXI连接的数量和带宽。另外，后续还会进一步介绍更过的增强项。 在快速发展的应用领域，为了实现快速上市的目的驱使了对片上系统（SoC）的需求；另外，为了减少系统中集成组件开发所需要的工程量、最小化物理尺寸以及降低功耗，也驱使了对SoC的需求。由于软件设计工具和方法的发展，这些相对复杂的SoC器件必须易于进行系统设计，并且易于不断地升级。Xilinx和合作伙伴支持多种设计输入方法和语言，并继续引入新功能以实现快速开发，包括快速评估不同实现选项地功能。

Xilinx 片上系统（SoCs）发展简介

Xilinx传统上是一家可编程逻辑公司，专注于FPGA技术和复杂编程逻辑器件（CPLDs，Complex Programmable Logic Devices）。自2011年推出Zynq-7000以来，随着它向SoC地转变，其他构建模块也开始集成进来，因此Xilinx现在生产的设备不仅由可编程逻辑组成，而且还包括与处理器、内存、接口等相结合的可编程逻辑。
自从三十多年前Xilinx发明了FPGA以来，尤其是最近，人们对基于FPGA的灵活嵌入式系统产生了兴趣。这是因为“软”处理器的可用性，它可以借由FPGA的通用可编程逻辑进行搭建（而不是使用专用处理芯片）。以上述方式实现嵌入式系统仍然有效，并且具有相当大的灵活性，相反的，基于处理器的嵌入式开发则受到一定的局限性。
在某些应用场景，应用程序需要将单独的处理器芯片整合到系统中，并于FPGA建立适当的接口。这促使了Zynq-7000芯片在2010年初的出现，该芯片将FPGA的可编程逻辑于内置芯片中的专用“硬”处理器相结合，并在两个部件之间提供快速互联。Zynq-7000系列芯片的结构示意图如图2所示。本例中的处理器是双核Arm Cortex-A（“A” 表示应用处理器），与只能收集中的处理器类型相同。与之前采用的“软”处理器方法相比，该设备具有增强处理器能力的优势，这意味着一个完整的系统可以在单个芯片上实现。

图2 Zynq-7000芯片结构示意图
现在，Zynq MPSoC通过扩展处理系统中的处理器类型与功能，进一步拓展了SoC的概念。这里以Zynq Ultrascale + MPSoC处理系统为例（如图3所示），其与双核应用处理器（Zynq-7000系列）不同，现在可以选择32位或64位的双核或四核（而A9则是32位的双核处理器）。Zynq Ultrascale + MPSoC处理系统还包括基于两个Arm Cortex-R5内核的实时处理系统、一个图形处理单元（Graphics Processing Unit,GPU）等单元。添加这些额外类型处理单元的理由是，通过使用针对特定任务进行优化的处理器，可以获得更高的性能。

图3 Zynq Ultrascale + MPSoC处理系统示意图

设计方法

下面我们简介一个非常重要的问题！当我们具有了这些复杂的片上系统芯片后，我们如何利用它开发想要的智能系统？也就是我们的设计方法是什么？
简单来说，赛灵思（Xilinx）的Zynq的多处理器片上系统（MPSoC）的设计方法包括：（1）硬件设计、（2）软件设计。硬件设计主要负责SoC设备上可用物理资源的映射，而软件则运行在一个或者多个部署在芯片上的处理器。因此如图4所示，考虑到硬件设计与软件设计的根本性不同，在设计中分别使用不同的专用工具设计硬件和软件系统。

图4 基于Zynq MPSoC的简化设计流程(左：传统的“硬件/软件”设计流程; 右：“软件定义”设计工具，使用SDx)

在这个设计流程中，硬件和软件开发基本上可以独立进行，然后是集成阶段，而不是一个依赖于另一个的完成。设计人员使用他们选择的工具生成硬件系统的单元，使用Xilinx Vivado开发环境进行系统集成，并在目标设备上实现。软件开发人员可以使用Xilinx软件开发工具包（SDK，Software Development Kit）。最近，出现了向面向软件、硬件/软件协同设计的重大转变。简单地说，这些工具允许使用软件代码或基于块的设计方法，以高抽象级别描述整个系统的功能。然后在设计人员的指导下，考虑可用资源的能力，在SoC的硬件和软件组件之间划分功能。