Xilinx 7系列設(shè)備和NI cRIO-9068控制器創(chuàng)新詳解

新的NI cRIO-9068可重配置機(jī)箱和NI PXIe-7975R NI FlexRIO FPGA模塊采用的是Xilinx 7系列完全可編程FPGA和SoC設(shè)備。如果要深入理解NI新的可重配置I/ O(RIO)技術(shù)，需先了解Xilinx 7系列設(shè)備和NI cRIO-9068控制器中的創(chuàng)新之處。

FPGA的供應(yīng)商通常是率先使用新硅工藝開(kāi)發(fā)設(shè)備的先驅(qū)者。在FPGA剛問(wèn)世之時(shí)，F(xiàn)PGA供應(yīng)商可以利用摩爾定律，在使FPGA具有比前一代設(shè)備高出一倍容量的同時(shí)提高系統(tǒng)性能和降低功耗。 FPGA一開(kāi)始用作為補(bǔ)充專用集成電路(ASIC)功能的膠合邏輯器件，現(xiàn)在在設(shè)計(jì)中已逐漸取代ASIC和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。在過(guò)去10年中，Xilinx采用了最新的工藝和優(yōu)化的FPGA架構(gòu)，其器件集成了更為先進(jìn)的系統(tǒng)功能（如微處理器內(nèi)核、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)片、RAM、用于PCI Express和USB的外設(shè)控制器、高速I / O）和FPGA周邊，系統(tǒng)價(jià)值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)邏輯器件，同時(shí)也將系統(tǒng)的可編程性推向了一個(gè)新的高度，這是ASIC和ASSP所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

2008年，Xilinx開(kāi)始計(jì)劃開(kāi)發(fā)7系列器件。公司各部門團(tuán)結(jié)協(xié)作，擴(kuò)展了“可編程”的定義，在28nm節(jié)點(diǎn)上不僅提供了工業(yè)最先進(jìn)的FPGA，而且還開(kāi)發(fā)了改變編程規(guī)則的完全可編程SoC和3D IC系列產(chǎn)品。NI在幫助定義Xilinx 7系列器件的要求上也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Xilinx 7系列的一個(gè)主要區(qū)別在于Xilinx選擇28nm節(jié)點(diǎn)的硅工藝技術(shù)。Xilinx并沒(méi)有選擇***積體電路公司(TSMC)針對(duì)PC上的顯卡芯片量身定制的28nm高性能工藝或針對(duì)移動(dòng)電話ASSP的28nm低功耗工藝，而是與TSMC合作開(kāi)發(fā)專門針對(duì)FPGA要求的工藝。這一新工藝稱為TSMC 28nm HPL（高性能低功耗）工藝技術(shù)，為Xilinx FPGA的所有市場(chǎng)提供最佳的性能和功耗組合。這實(shí)質(zhì)上意味著需要以高性能運(yùn)行的設(shè)計(jì)的功耗，而成本并不會(huì)非常高。相反，如果滿足了嚴(yán)格的功耗要求，該設(shè)計(jì)仍可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的性能目標(biāo)。

由于整個(gè)7系列產(chǎn)品組合均采用相同的28nm HPL硅工藝，Xilinx可以更專心地在架構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新。Xilinx在7系列中引進(jìn)了所有類型的FPGA，包括低端的Artix-7完全可編程FPGA系列、中端的Kintex-7 完全可編程 FPGA系列以及高端的Virtex-7完全可編程系列。

除了開(kāi)發(fā)全系列的完全可編程FPGA，該公司還成功開(kāi)發(fā)了兩款全新的器件：Zynq-7000完全可編程SoC和Virtex-73D IC。這兩項(xiàng)發(fā)明榮獲來(lái)自全球多個(gè)行業(yè)刊物和行業(yè)協(xié)會(huì)授予的創(chuàng)新獎(jiǎng)。

NI革命性的RIO產(chǎn)品系列——NI cRIO-9068和NI PXIe-7975R分別采用Zynq-7000完全可編程SoC和Kintex-7完全可編程FPGA。

1. Zynq-7000完全可編程SoC

圖 1. Zynq-7000完全可編程SoC在單個(gè)芯片中集成了雙核ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)、28nm FPGA芯片以及關(guān)鍵外設(shè)。

Zynq-7000 SoC這一器件屢獲多項(xiàng)大獎(jiǎng)。它是第一款在單一芯片上結(jié)合了雙核ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)、FPGA芯片和關(guān)鍵設(shè)備（圖1）的設(shè)備。Zynq SoC硅芯片中有超過(guò)10,000通路將ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)連接至FPGA芯片，使得器件的處理邏輯和可編程邏輯具有連通性，對(duì)于通過(guò)印刷電路板將獨(dú)立的基于ARM處理器的ASSP與FPGA相連接的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

該集成是cRIO-9068的主要價(jià)值所在，因?yàn)樵鰪?qiáng)的互連功能實(shí)現(xiàn)了處理器和可編程邏輯之間的16個(gè)并行DMA通道和超過(guò)300 MB/ s功能帶寬，這可顯著提升控制器的性能。高DMA通道數(shù)還簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)流均可以使用一個(gè)專用通道，而不需要構(gòu)建邏輯單元和處理器周期，否則會(huì)占用多個(gè)通道以及軟件的多速率交叉和分選機(jī)制。

Zynq SoC的另一個(gè)創(chuàng)新之處在于獨(dú)特的編程模型。Zynq SoC是真正“完全可編程” 的器件。您可以編程其處理系統(tǒng)、FPGA芯片甚至I / O口來(lái)創(chuàng)建極其靈活的自定義系統(tǒng)。而且，該器件也是完全可重新編程，這樣您可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中的任何階段，甚至將設(shè)備部署到現(xiàn)場(chǎng)之后，也可以修改設(shè)計(jì)。

Zynq SoC并不是第一個(gè)在硅芯片中將FPGA芯片與處理器相連接的器件。Xilinx的Virtex FPGA采用的是嵌入式PowerPC處理器。如果要對(duì)這些器件進(jìn)行編程，就必須對(duì)FPGA進(jìn)行編程才能訪問(wèn)處理器。這意味著如果要使用該器件，您需要掌握各種HDL編程技巧和FPGA知識(shí)。但是借助Zynq SoC，Xilinx可確保ARM處理系統(tǒng)控制整個(gè)芯片的運(yùn)行。也就是說(shuō)，處理系統(tǒng)啟動(dòng)后可以控制可編程邏輯。您可以在C / C++或SystemC中創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)計(jì)并將其編程到Zynq SoC的處理系統(tǒng)中。如果系統(tǒng)某部分的運(yùn)行速度不如預(yù)期的快，則可以使用一個(gè)稱為Vivado HLS的高層次綜合工具將C代碼轉(zhuǎn)換成可以在Zynq SoC的FPGA架構(gòu)上運(yùn)行的VHDL。這可極大地加快系統(tǒng)的速度。

Xilinx還確保處理系統(tǒng)可在C / C++和SystemC中編程，支持各種應(yīng)用廣泛的操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。這種廣泛的開(kāi)放式支持使得像NI公司這樣的公司能夠開(kāi)發(fā)自己的Zynq SoC編程軟件，甚至實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化和生產(chǎn)力。

NI通過(guò)直觀圖形化系統(tǒng)編程工具LabVIEW軟件幫助用戶更輕松地利用Zynq SoC的特性集。 LabVIEW將Zynq SoC的關(guān)鍵硬件組件和NI模塊化C系列I/ O集成在單一開(kāi)發(fā)環(huán)境中，讓您使用已掌握的相同圖形化語(yǔ)言對(duì)FPGA和雙核CPU進(jìn)行編程。

7系列的所有設(shè)備均統(tǒng)一采用ARM公司的AXI-4總線協(xié)議。這意味著，如果您已經(jīng)創(chuàng)建了用于在基于ARM的系統(tǒng)中執(zhí)行的IP，您就可以很輕松地將該IP從Xilinx轉(zhuǎn)移到Zynq SoC、Kintex-7 FPGA或任何其他7系列設(shè)備。

借助LabVIEW，NI提供了自己的一套專用IP以及統(tǒng)一采用AXI接口的Xilinx CORE Generator IP的訪問(wèn)，專門用于7系列FPGA，因而提高了IP的互操作性，也使得之后的設(shè)計(jì)維護(hù)和改進(jìn)變得更為輕松。

2. Kintex-7：高性能低功耗的最佳組合

Xilinx于1988年發(fā)明了FPGA，并自此開(kāi)始提供先進(jìn)的FPGA技術(shù)。 Kintex-7產(chǎn)品代表該技術(shù)的巔峰之作，也是目前Xilinx 7系列最暢銷的設(shè)備。該產(chǎn)品系列的與眾不同之處在于它們實(shí)現(xiàn)了FPGA架構(gòu)時(shí)鐘速率性能、低功耗、高速I / O、容量、安全性和可靠性的完美平衡。

這種高度平衡的特性集合使其非常適合用于各種測(cè)試和高性能嵌入式應(yīng)用，如自定義觸發(fā)、硬件定時(shí)測(cè)試測(cè)序、醫(yī)療成像、大型物理控制和監(jiān)測(cè)、超帶寬通信和雷達(dá)、信號(hào)情報(bào)、協(xié)議感知數(shù)字測(cè)試、實(shí)時(shí)視覺(jué)算法和軟件定義無(wú)線電。

新的Kintex-7 FPGA非常適用于NI FlexRIO產(chǎn)品線。該產(chǎn)品系列具有與上一代高端FPGA相同的容量和性能，但功耗卻降低了一半。功耗的降低使得每個(gè)PXI插槽具有比上一代NI FlexRIO高一倍的數(shù)字信號(hào)處理能力。而邏輯和DSP資源的增加則可幫助您使用更廣泛的信號(hào)處理和實(shí)時(shí)分析來(lái)開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的算法，以滿足當(dāng)今應(yīng)用日益增長(zhǎng)的I/ O數(shù)據(jù)傳輸速率和復(fù)雜性。與此同時(shí)，Kintex-7 FPGA的高值域 I / O所具有的靈活性使得NI能夠最大限度提高與現(xiàn)有I / O適配器模塊的接口兼容性，使得整個(gè)產(chǎn)品系列能夠與各種高性能I / O無(wú)縫連接。

為了最大程度利用NI FlexRIO增強(qiáng)的處理能力，F(xiàn)PGA需要植入和移除更多的數(shù)據(jù)。Kintex-7的內(nèi)置PCI Express 第二代控制器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)技術(shù)，與主機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸速度或直接向其他選定NI PXI模塊輸入數(shù)據(jù)的速度提高了兩倍。對(duì)于臨時(shí)存儲(chǔ)，DDR3內(nèi)存控制器則幫助NI實(shí)現(xiàn)與NI PXIe-7975R 2 GB板載DRAM之間10 GB/s（理論值）的連接。