Le blog de l'entreprise Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q FPGA MPSoC Quad-Core Zynq™ UltraScale+™

Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. fournit et recycle le FPGA Zynq™ UltraScale+™ MPSoC quadricœur Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q.

Le XAZU2EG-1SBVA484Q est un appareil hautement intégré et d'une grande fiabilité de la série Zynq™ UltraScale+™ MPSoC (Multi-Processor System-on-Chip). Il présente une architecture qui intègre profondément un processeur d'application ARM® Cortex®-A53 quadricœur avec une logique programmable (PL). Construit sur un procédé FinFET de 16 nm, il offre un équilibre entre hautes performances, faible consommation d'énergie et programmabilité flexible. Conçu spécifiquement pour les applications exigeantes telles que l'électronique automobile, l'automatisation industrielle et les équipements médicaux, il s'agit d'un dispositif à cœur embarqué qui intègre le calcul, le contrôle et la connectivité.

I. Architecture et composants principaux du XAZU2EG-1SBVA484Q

Le XAZU2EG-1SBVA484Q adopte une architecture SoC hétérogène multi-processeurs, le cœur comprenant deux parties : le système de traitement (PS) et la logique programmable (PL). Ces deux composants sont interconnectés de manière transparente via une interface AXI à haute vitesse, permettant au matériel et au logiciel de fonctionner de concert. Il combine les capacités de contrôle flexibles d'un processeur à usage général avec les avantages du traitement parallèle programmable d'un FPGA, surmontant ainsi les goulots d'étranglement de performance associés aux conceptions traditionnelles qui séparent les processeurs et les FPGA.

1. Système de traitement (PS) : Coprocesseur multi-cœurs, équilibrant performances et capacités en temps réel

Le système de traitement sert de « cœur de contrôle » de l'appareil, intégrant plusieurs types de cœurs de processeur haute performance pour répondre aux exigences de calcul dans divers scénarios. La configuration spécifique est la suivante :

- ARM® Cortex®-A53 MPCore™ quadricœur : Servant d'unité de traitement d'application (APU), il adopte l'architecture ARMv8-A et prend en charge les modes de fonctionnement double 64 bits/32 bits. Avec une fréquence d'horloge maximale de 1,2 GHz, il dispose de la virtualisation matérielle, des capacités de sécurité ARM TrustZone®, ainsi que du moteur de traitement multimédia Neon advanced SIMD et des unités de virgule flottante (FPU) simple/double précision, offrant des performances allant jusqu'à 2,3 DMIPS/MHz. Il exécute efficacement des systèmes d'exploitation tels que Linux et FreeRTOS, gérant des tâches complexes au niveau de l'application, y compris le traitement des données, l'analyse des protocoles et l'interaction homme-machine.

- ARM® Cortex™-R5 MPCore™ double cœur : Fonctionnant comme une unité de traitement en temps réel (RPU), il utilise l'architecture ARMv7-R avec une fréquence d'horloge maximale de 600 MHz. Prenant en charge les modes de fonctionnement en lockstep et indépendant, il offre une grande fiabilité et une faible latence, et est spécifiquement conçu pour gérer des tâches de contrôle en temps réel telles que le contrôle de mouvement industriel et la prise de décision en temps réel dans les ADAS automobiles. Il décharge efficacement l'APU, améliorant ainsi la vitesse de réponse globale du système.

- Processeur graphique ARM Mali™-400 MP2 : Moteur d'accélération graphique intégré avec une fréquence d'horloge maximale de 667 MHz, prenant en charge le rendu graphique 2D/3D. Compatible avec les normes OpenGL ES 1.1, 2.0 et OpenVG 1.0, 1.1, il permet l'affichage graphique à une résolution de 1080p. Adapté aux applications embarquées nécessitant des interfaces utilisateur graphiques, telles que les terminaux de contrôle industriel et les écrans d'imagerie médicale.

- Mémoire sur puce et contrôleur mémoire : Dispose de 256 Ko de RAM sur puce (OCM) avec prise en charge ECC pour garantir un stockage de données fiable ; un contrôleur DDR intégré prend en charge la mémoire externe telle que DDR4 et LPDDR4, étendant davantage la capacité de stockage pour répondre aux exigences d'accès aux données à large bande passante ; il est également équipé de caches L1 et L2, comprenant un cache L1 instruction/données de 32 Ko (indépendant par cœur) et un cache L2 partagé de 1 Mo, améliorant considérablement l'efficacité de lecture/écriture des données et réduisant la latence du processeur.

2. Logique programmable (PL) : Flexible et configurable pour répondre aux exigences de personnalisation

La section de logique programmable est basée sur l'architecture Xilinx UltraScale™, offrant une densité logique élevée, une bande passante élevée et une faible consommation d'énergie. Elle peut être personnalisée par programmation pour s'adapter à des scénarios d'application spécifiques, permettant diverses extensions d'interface, le traitement parallèle, l'acquisition et le traitement de signaux. Les paramètres spécifiques sont les suivants :

- Unités logiques : Intègre environ 82 000 unités logiques, capables d'implémenter des fonctions logiques numériques complexes. Il prend en charge la configuration flexible de la logique combinatoire et séquentielle pour s'adapter aux algorithmes personnalisés et aux protocoles d'interface de complexité variable.

- Ressources mémoire : Comprend diverses ressources mémoire sur puce telles que Block RAM et UltraRAM. Block RAM fournit un stockage double port à haute vitesse, tandis qu'UltraRAM offre une capacité élevée et une faible consommation d'énergie, adaptée à la mise en cache de données et aux conceptions FIFO, garantissant un échange de données à haute vitesse lors du traitement parallèle ; la RAM distribuée est également prise en charge, améliorant encore la flexibilité de la mémoire.

- Tranches DSP : Intègre 240 tranches DSP, chacune prenant en charge la multiplication signée 27x18, les opérations d'addition/accumulation de 48 bits et un pré-additionneur de 27 bits. Fonctionnant à une fréquence de 891 MHz, les performances de bande passante atteignent 6,3 TeraMAC, ce qui le rend adapté aux scénarios de calcul haute performance tels que le traitement numérique du signal, le filtrage et les transformées de Fourier, y compris les applications d'imagerie médicale et d'analyse de signaux industriels.

- Ressources d'E/S : Fournit 82 broches d'E/S configurables, prenant en charge plusieurs normes de tension, notamment LVCMOS, LVDS et SSTL, avec une plage de tension de 1,0 V à 3,3 V. Il dispose d'une latence d'E/S programmable et de la fonctionnalité SerDes, permettant une connexion flexible à divers périphériques et interfaces externes pour répondre aux exigences de transmission de signal dans différents scénarios.

II. Avantages fonctionnels clés du XAZU2EG-1SBVA484Q

1. Coordination hétérogène multi-cœurs : Équilibrer performances et capacités en temps réel

Le Cortex-A53 quadricœur gère le traitement des applications haute performance, le Cortex-R5 double cœur se concentre sur le contrôle en temps réel, et le Mali-400 MP2 gère l'accélération graphique. Travaillant de concert et combinés aux capacités de traitement parallèle de la logique programmable, ces composants peuvent allouer différents types de tâches aux unités de traitement les plus appropriées. Cela permet une conception intégrée comprenant « traitement d'application + contrôle en temps réel + accélération graphique + logique personnalisée », améliorant considérablement les performances globales du système et la vitesse de réponse. Par rapport aux conceptions discrètes traditionnelles, cela réduit le nombre de composants et la latence de l'interface tout en améliorant la stabilité du système.

2. Haute intégration et flexibilité, simplifiant la conception du système

Le XAZU2EG-1SBVA484Q intègre plusieurs modules fonctionnels, dont un processeur, un FPGA, un moteur graphique, un contrôleur mémoire et divers périphériques d'interface. Il permet la construction d'un système embarqué complet sans avoir besoin de puces externes supplémentaires, simplifiant considérablement le processus de conception matérielle tout en réduisant la taille, le coût et la consommation d'énergie du système. De plus, la section de logique programmable peut être personnalisée de manière flexible pour répondre aux exigences des utilisateurs, prenant en charge l'extension d'interface et l'accélération d'algorithmes, entre autres fonctions. Cela s'adapte aux besoins spécifiques de différents scénarios d'application, offrant une flexibilité et une évolutivité exceptionnelles, et permettant une itération et une réutilisation rapides de la conception.

3. Haute fiabilité et faible consommation d'énergie, adapté aux environnements exigeants

Utilisant un procédé FinFET de 16 nm à faible consommation combiné à une technologie de gestion multi-domaines de puissance, il peut réduire la consommation d'énergie statique jusqu'à 30 % en désactivant l'alimentation des modules inutilisés. La consommation d'énergie en mode veille profonde est aussi basse que 180 nW, répondant aux exigences de faible consommation des appareils portables et alimentés par batterie. De plus, l'appareil prend en charge des fonctionnalités telles que la correction d'erreurs ECC, le mode lockstep et la surveillance du système. Avec une plage de température de fonctionnement de -40°C à 125°C, il offre une excellente immunité aux interférences et une adaptabilité environnementale, garantissant un fonctionnement stable dans des environnements exigeants tels que les applications automobiles, industrielles et médicales, tout en répondant aux normes de fiabilité de qualité industrielle et automobile.

4. Support d'écosystème complet, abaissant la barrière de développement

Xilinx fournit des outils de développement complets et un support d'écosystème pour la série Zynq™ UltraScale+™ MPSoC, y compris la suite de conception Vivado (outils de programmation FPGA) et la plateforme logicielle unifiée Vitis (outils de développement logiciel embarqué). Il prend en charge plusieurs langages de programmation tels que C/C++, Verilog et VHDL, permettant la co-conception, la simulation et le débogage du matériel et du logiciel. De plus, avec une richesse de ressources de cœurs IP (tels que des IP d'interface et des IP de traitement de signal) et des conceptions de référence disponibles, les développeurs peuvent réutiliser directement les ressources existantes pour raccourcir les cycles de développement, abaisser le seuil de développement et commercialiser rapidement les produits.

III. Scénarios d'application typiques pour le XAZU2EG-1SBVA484Q

Grâce à ses hautes performances, sa grande fiabilité, sa grande flexibilité et sa faible consommation d'énergie, le XAZU2EG-1SBVA484Q est largement utilisé dans la conception de systèmes embarqués dans plusieurs secteurs. Il est particulièrement bien adapté aux scénarios avec des exigences strictes en matière de taille, de consommation d'énergie et de fiabilité. Les applications typiques comprennent :

1. Électronique automobile

En tant qu'appareil de qualité automobile (XA), il peut être utilisé dans les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS), les systèmes d'infodivertissement embarqués et les systèmes de contrôle de carrosserie. Dans ces applications, le cœur Cortex-R5 gère les fonctions de contrôle en temps réel (telles que le contrôle de la direction et du freinage), tandis que le cœur Cortex-A53 traite des tâches complexes telles que la reconnaissance d'images et la transmission de données. La logique programmable facilite l'acquisition et le traitement des signaux des capteurs, répondant aux exigences du secteur de l'électronique automobile en matière de performances en temps réel, de fiabilité et d'immunité aux interférences. De plus, son boîtier compact est bien adapté aux environnements à espace restreint typiques des applications embarquées.

2. Secteur de l'automatisation industrielle

Adapté aux passerelles de l'Internet industriel des objets (IIoT), à la vision industrielle, au contrôle de mouvement industriel, aux automates programmables industriels (API) et à d'autres équipements. L'extension d'interface à haute vitesse et le traitement de signal en temps réel sont réalisés grâce à la logique programmable, tandis que le cœur Cortex-A53 exécute des protocoles industriels (tels que Ethernet/IP et Profinet) et des logiciels de gestion de données. Le cœur Cortex-R5 gère le contrôle de mouvement de haute précision, permettant un contrôle intelligent et automatisé des équipements industriels pour améliorer l'efficacité de la production et la précision du contrôle, tout en répondant aux exigences des environnements à température élevée et de la résistance aux interférences dans les environnements industriels.

3. Secteur des équipements médicaux

Adapté aux équipements d'imagerie médicale (tels que les appareils de diagnostic par ultrasons et les moniteurs portables) et aux équipements de surveillance médicale. Le moteur graphique Mali-400 MP2 permet l'affichage et le traitement en temps réel des images médicales, tandis que le cœur Cortex-A53 gère le stockage et la transmission des données. La logique programmable facilite l'acquisition et le filtrage des signaux des capteurs. La haute fiabilité et les caractéristiques de faible consommation d'énergie de l'appareil garantissent le fonctionnement stable des équipements médicaux, tout en répondant aux exigences de l'industrie en matière de miniaturisation et de faible consommation d'énergie, s'alignant ainsi sur les exigences de conception des dispositifs médicaux portables.

4. Autres domaines

De plus, il peut être appliqué à des scénarios tels que le contrôle de drones, l'infrastructure de communication, la radio logicielle portable et l'avionique. Par exemple, dans le contrôle de drones, il peut permettre le contrôle de l'attitude de vol, la transmission et le traitement d'images ; dans l'infrastructure de communication, il peut effectuer l'analyse de signal et la conversion de protocole. Grâce à son architecture hétérogène multi-cœurs et à sa programmabilité flexible, il s'adapte aux exigences diverses de différents scénarios, fournissant des solutions de cœur haute performance et hautement fiables pour divers systèmes embarqués.

IV. Résumé du XAZU2EG-1SBVA484Q

Le FPGA Zynq™ UltraScale+™ MPSoC quadricœur Xilinx XAZU2EG-1SBVA484Q est un dispositif à cœur embarqué qui combine hautes performances, grande fiabilité et grande flexibilité. Grâce à l'intégration profonde d'une architecture hétérogène multi-cœurs avec une logique programmable, il réalise une conception intégrée pour le traitement d'application, le contrôle en temps réel, l'accélération graphique et la logique personnalisée. Son procédé FinFET de 16 nm, sa plage de température étendue, ses vastes ressources d'interface et son support d'écosystème complet le rendent idéal pour les applications exigeantes telles que l'électronique automobile, l'automatisation industrielle et les dispositifs médicaux. Il offre aux développeurs une solution hautement intégrée, à faible consommation et facile à développer, aidant à accélérer le déploiement des produits et à améliorer la compétitivité sur le marché. En tant que membre clé de la série AMD Zynq UltraScale+ MPSoC, cet appareil, avec son excellent rapport performance/puissance et son évolutivité, est devenu l'un des choix privilégiés pour la conception de systèmes embarqués.