基于ZYNQ的片上系统(Soc)简介(二)

一、处理器系统

对于一个 ZYNQ 芯片,其基础的处理系统为双核 ARM Cortex-A9 处理器(硬核),另外还可以使用“软”处理器:MicroBlaze,其等价于一个IP核,调用该IP会占用 PL 部分的资源。

                        

软处理器相对于 ARM 硬核的明显优势为:软核数量和内部资源是可以灵活配置的;缺点为:计算性能较低。我们在使用ZYNQ的处理器系统时,不仅可以使用 ARM,也可以调用一个或者多个 MicroBlaze 软处理器配合ARM工作,从而提升系统整体性能。

二、应用处理单元(Application Processing Unit, APU)

ZYNQ 的处理器系统不仅仅是 ARM 处理器,也包含相关的处理资源,共同形成 APU ,另外还有扩展外设接口、cache存储器、存储器接口、互联接口以及时钟发生电路等,共同组成了 PS 部分。

APU的组成为:双 ARM 核、NEONTM媒体处理引擎、浮点单元、内存管理单元以及 cache 存储器。大概就是下面框图这样子:

                                       

其中,NEON 引擎是主 ARM 处理器附加功能,可以实现媒体和 DSP 类算法的加速。

浮点单元(FPU)实现了IEEE 754标准兼容的浮点运算硬件加速,支持单精度和双精度格式。具体参考:

ARM, “Cortex-A9 Floating-Point Unit Technical Reference Manual”, r3p0 , July 2011.

http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0408g/DDI0408G_cortex_a9_fpu_r3p0_trm.pdf

三、PL部分

  • 可配置逻辑块 (CLB) — CLB 是逻辑单元的小规模、普通编组,在 PL 中排列为 一个二维阵列,通过可编程互联连接到其他类似的资源。每个 CLB 里包含两个逻辑片,并且紧邻一个开关矩阵。

  • 片 (Slice) — CLB 里的一个子单元,里面有实现组合和时序逻辑电路的资 源。Zynq 的片是由 4 个查找表、8 个触发器和其他一些逻辑所组成的。

  • 查找表 (Lookup Table,LUT) — 一个灵活的资源,可以实现 (一)至多 6 个输入的逻辑函数; (二)一小片只读存储器 (ROM); (三)一小片随机 访问存储器 (RAM);或 (四)一个移位寄存器。LUT 可以按需组合起来形成 更大的逻辑函数、存储器或移位寄存器。

  • 触发器(Flip-flop,FF) — 一个实现 1 位寄存的时序电路,带有复位功能。 FF 的一种用处是实现锁存。

  • 开关矩阵 (Switch Matrix) — 每个 CLB 旁都有一个开关矩阵,实现灵活的 布线功能来(一)连接 CLB 内的单元;或(二)把一个 CLB 与 PL 内的其他资 源连接起来。

  • 进位逻辑 (Carry Logic) — 算术电路需要在相邻的片之间传递信号,这就 是通过进位逻辑来实现的。进位逻辑把布线和复用器组成链条来连接一个垂直列上的片。

  • 输入 / 输出块 (Input/Output Blocks,IOB) — IOB 实现了 PL 逻辑资源之 间的对接,并且提供物理设备 “ 焊盘 ” 来连接外部电路。每个 IOB 可以处理 一位的输入或输出信号。IOB 通常位于芯片的周边。

四、PL部分特殊资源

DSP48E1 和块 RAM

Zynq-7000 里的块 RAM 和 Xilinx 7 系列 FPGA 里的那些块 RAM 是等同的,它们可以实现 RAM、ROM 和先入先出 (First In First Out,FIFO)缓冲器;

每个块 RAM 可以存储最多 36KB 的信息,并且可以被配置为一个 36KB 的 RAM 或 两个独立的 18KB RAM。默认的字宽是 18 位,这样的配置下每个 RAM 含有 2048 个存 储单元。RAM 还可以被 “ 重塑 ” 来包含更多更小的单元(比如 4096 个单元 x9 位, 或 8192x4 位),或是另外做成更少更长的单元(如 1024 单元 x36 位,512x72 位)。 把两个或多个块 RAM 组合起来可以形成更大的存储容量;

逻辑部分里的 LUT 可以用来实现任意长度的算术运算,但是最合适的是做短字 长的算术运算(长字长的算术电路会在逻辑片中占据较大的空间,这样的布局和布 线因素会使得时钟频率是次优的)。DSP48E1是专门用于实现对长字长信号的高速算 术运算的逻辑片。这些都是专用的硅片资源,并且在逻辑单元内主要包含了预加法 器 / 减法器、乘法器和后加法器 / 减法器。

 

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