全可编程异构多处理SoC——Zynq UltraScale+MPSoC详细评测

随着5G通信、自动驾驶及物联网等新兴应用的发展，图像处理、AI算法加速、软件无线电等复杂多任务设计越来越挑战嵌入式平台的处理能力。专用标准产品只能为设计人员提供无法扩展的固定解决方案。这样，为了让设计更灵活就必须添加相应器件，因而不可避免地会拉高BOM成本和功耗成本。Xilinx的ZYNQ-7000 SoC系列作为ARM和FPGA全可编程的SOC，以其灵活的设计方式和优异的性能功耗比，为人所熟知，但是和今天我们要介绍的这款SOC平台相比，ZYNQ-7000简直弱爆了。它就是赛灵思推出的真正 All Programmable （全可编程）异构多处理 SoC——Zynq UltraScale+MPSoC。

米尔科技推出的MYD-CZU3EG开发套件搭载的就是UltraScale+ MPSoC平台器件 — XCZU3EG，它集成了四核Cortex™-A53 处理器，双核 Cortex™-R5 实时处理单元以及Mali-400 MP2 图形处理单元及 16nm FinFET+ 可编程逻辑相结合的异构处理系统，具有高性能，低功耗，高扩展等特性，除了这款异构SOC之外，板子还搭载了丰富的接口和完善的开发资料，可以帮助开发人员降低产品开发周期，实现产品快速上市，下面我们来一探究竟。

开箱

暖色调的简洁外包装上印有一行“Make Your idea Real”，不免给人一种立马开箱动手躁起来的冲动。

开箱之后就是摆放在内衬中的板卡和配套设备。除了板卡之外，配套的电源、数据线、SD卡和光盘等等，可谓考虑齐全。

板卡资源介绍
笔者迫不及待的拆开板卡的防静电袋，下面来看一下这块性能小怪兽的样子。MYD-CZU3EG 开发板由MYC-CZU3EG 核心板加MYB-CZU3EG 底板组成。散热器下面是核心板，这是一个CPU最小系统模块，集成了主处理器和存储。底板是一块外设接口板，集成了电源和多种接口，方便评估或集成。

下面我们详细的了解一下板卡详细的组成结构，首先，核心板基于Xilinx XCZU3EG全可编程处理器，4核Cortex-A53(Up to 1.5GHZ)+FPGA(154K LE)，具体型号：XCZU3EG-1SFVC784,（未来可选配XCZU2CG, XCZU3CG,XCZU4EV,XCZU5EV)，性能强大；板载4GB DDR4 SDRAM（64bit,2400MHZ) 及丰富的存储资源，从容应对复杂运算；板载千兆以太网PHY 和USB PHY , 轻松实现高速互联，如此奢华的配置，板子尺寸只有62*50mm，紧凑程度令人赞叹。

另外，板子选材和用料讲究，据称使用了Intel电源模块，松下的M6 PCB板材，Micron存储，村田电容，还是非常良心的。

底板的外设接口丰富，板载了串口，网口，HDMI，DP，SATA，PCIE，USB3.0 Type-C，LCD，PMOD，Arduino，FMC-LPC，TF 卡接口，SFP，ADC，CAN等多种接口，方便用户评估或集成。这些接口根据SOC的结构，有的接在PS端，有的接在PL端。

PS 单元：
1 路千兆以太网
1 路USB3.0 typeC 接口
1 路DisplayPort 接口
1 路PCIE2.1 x1 接口
1 路SATA3.1 接口
1 路CAN 接口
1 路RS232 串口
1 路TF 卡接口
1 路I2C 接口
1 个复位按键，2 个用户按键，
1 路JTAG
内置实时时钟

PL 单元：
XADC 接口
1 路Xilinx 标准LPFMC 接口
1 路HDMI 接口，RGB 24bit，不支持音频
1 路LCD DIP/LPC 接口，RGB 24bit，与HDMI 复用显示信号
电阻式电容式触摸屏接口，集成在LCD 触摸屏接口
2 路PMoD
5 个电源指示灯
4 路SFP 模块接口
1 路Arduino 接口

除了板卡之外，套件内的光盘提供了包括用户手册，使用示例、PDF底板原理图，外扩接口驱动，BSP 源码包，开发工具等，为开发者提供了完善的软件开发环境，帮助降低产品开发周期，实现产品快速上市。

不过现在的笔记本电脑已经很少带光驱了，拷出这些资料也着实废了笔者一番功夫，建议厂商换成U盘来装资料，会更方便一些。

Zynq UltraScale+ MPSoC介绍

1.真正的全可编程异构多处理SOC
在使用板子之前，我们先来了解一下这款板卡的核心芯片——XCZU3EG，这是Xilinx继ZYNQ-7000系列之后推出的真正的全可编程异构平台，Zynq® UltraScale+ MPSoC 器件不仅提供 64 位处理器可扩展性，同时还将实时控制与软硬件引擎相结合，支持图形、视频、波形与数据包处理。置于包含通用实时处理器和可编程逻辑的平台上，三个不同变体包括双应用处理器 (CG) 器件、四核应用处理器和 GPU (EG) 器件、以及视频编解码器 (EV) 器件， 为 5G 无线、下一代 ADAS 和工业物联网创造了无限可能性。

MYD-CZU3EG开发套件目前搭载的是EG器件，后期还可以选配CG或EV器件。EG 器件采用运行速率高达 1.5GHz 的四核 ARM® Cortex-A53 平台与双核 Cortex-R5 实时处理器、Mali-400 MP2 图形处理单元及 16nm FinFET+ 可编程逻辑相结合。

该器件有着无与伦比的集成度、高性能和低功耗特点，与 Zynq-7000 SoC 相比，系统级性能功耗比提升5 倍，为交付最低系统功耗而精心设计，官方给出的典型应用包括基带 L1 加速、公共安全与移动无线电和8x8 100 MHz TD-LTE 远端射频单元等场景。

2. 多媒体的理想系统
说到应用，不得不提Zynq UltraScale+ MPSoC最最擅长的领域——面向视频编解码器和图形引擎的前沿多媒体解决方案。赛灵思SoC为多媒体解决方案提供了多种支持，包括：

集成型视频编解码器单元 (VCU)
集成型图形处理单元 (GPU)
含集成式 DisplayPort 接口模块
集成型可编程逻辑 (PL)
EV 器件带有集成型 GPU 和H.264 / H.265视频编解码器，专为超高清 (UHD) 视频而设计带有集成型 H.264 / H.265 视频编解码器，能够同时编解码达 4Kx2K (60fps) 的视频，可实现单芯片4K视频处理，当然MYD-CZU3EG开发板使用的是EG器件，没有视频编解码器，但是有Mali-400 MP2 GPU。

Mali-400 MP2 GPU与 APU 直接绑定，还可在帧缓存中加速视频图形渲染，从而实现显示器输出。GPU 可通过独立的并行引擎进行像素渲染，速度远高于依靠 CPU 来处理图形，而且与需要设计人员添加片外 GPU 引擎的解决方案相比，成本与功耗均更低。GPU 通过全面可编程的架构加速 2D 和 3D 图形，该架构既支持基于着色器的图形 API ，也支持固定功能图形 API 。GPU 具有抗锯齿功能，能实现最佳图像质量，且几乎不会造成额外的性能损耗。Xilinx配套提供经实践检验的全套 Linux 驱动程序，能自动将图形命令从 APU 转到 CPU 处理。

另外，Zynq UltraScale+ MPSoC 提供高速互联外设，后者包含集成式 DisplayPort 接口模块。DisplayPort接口位于 PS 端，可多路复用至四个专用高速串行收发器中的两个，工作速率高达 6 Gb/s。该架构摆脱了对于额外显示芯片的需求，进一步降低了系统 BOM 成本。

DisplayPort 接口基于 VESA DisplayPort Standard Version 1 和 Revision 2a 开发，其提供的多个接口能处理来自 PS 或 PL 的实时音视频流，也能存储来自存储器帧缓存的音视频。它同时支持两个音视频流水线，支持 alpha 混合、chroma 复采样、色彩空间转换和音频混合等功能的动态渲染。DisplayPort 既可使用一个 PS PLL，也能使用 PL 的时钟生成像素时钟。

除视频编解码器和图形处理之外，多媒体应用还需要其他重要组件，如视频数据的输入输出管理 , 以及处理高速视频数据的功能。在 PL 内可设计定制化逻辑，用于捕获来自直播源的视频。例如，SDI RX、HDMI RX、MIPI CSI IP 等协议均可用于捕获不同来源的原始视频。视觉算法可用于采集来自原始数据的重要信息，如路标识别和针对驾驶员辅助技术的动作检测、视频监控面部识别、高级拍摄应用的物体与动作识别等。除收集数据外，算法还可用于音视频广播和视频会议等用例中处理与操控原始数据。考虑到今后几年视频分辨率不可避免的攀升态势，有关算法需要具备极高的工作速度。PL 为此类算法提供了所需的硬件加速功能，便于大幅提高性能，满足下一代技术需求。

Zynq UltraScale+ MPSoC 的灵活性能加速计算密集型应用程序，在 GPU、CPU 和 PL 之间共享工作负载，在 PL 中可卸载复杂的算数计算以实现硬件加速，并且在 APU 上可预先计算 OpenGL 着色语言 (GLSL) 一致变量。GPU 着色器核心上的计算仅适用于顶点和片断之间不同的值。整批顶点中所有保持常量的值在 CPU 上处理最为有效。

3. 无与伦比的系统性能功耗比
Zynq UltraScale+ MPSoC 在设计之初就考虑了高效电源管理问题，该器件被分为四个电源域：

处理系统 (PS) 中的电池电源域包含实时时钟和电池供电的 RAM。
PS 中的低电源域包含 RPU、通用外设、片上存储器 (OCM)、平台管理单元，以及配置安全单元。
PS 中的全电源域包含 APU、高速外设、系统存储器管理器和 DDR 控制器
可编程逻辑 (PL) 位于自身的电源域中

Zynq UltraScale+ MPSoC 含有可控制电源域的创新型平台管理单元 (PMU)，。PMU 负责器件的安全管理，并监管电源域内的电源。不用的电源域可在启动时关闭，然后智能地通过中断或事件唤醒，实现精细的电源管理。

我们已经知道Zynq UltraScale+ MPSoC 内部分了多个处理核心，四核ARM Cortex-A53是应用处理单元，具有高效的基线性能，适合Linux应用处理；双核 ARM Cortex-R5是实时处理单元理想适用于低时延确定性应用，诸如安全模块和 APU 任务分担等，另外图形引擎，高速外设等针对特定应用做了优化，各个模块各司其职，系统性能明显提升。该器件采用了台积电 (TSMC) 的 16nm FinFET 工艺节点，。该工艺节点采用更高效的晶体管实现方案，具备最佳的开关速度以及比平面工艺更低的漏电流，因此能实现更高性能和更低功耗。从 28nm 的 Zynq-7000 到 16nm 的 Zynq UltraScale+ MPSoC，性能提升了 60%，功耗降低 20%，使原始处理器性能提升 2.7 倍。

示例
板子QSPI闪存预先烧录了Linux镜像，默认也是从QSPI闪存启动的，使用数据线连接板子串口和PC，连接电源，板子上电，打开putty，可以看到系统启动信息。通过命令行可以登录，默认密码是root。

光盘中也提供了系统的镜像文件，用户如果不熟悉Linux系统编译，可以直接使用。

另外，MYD-CZU3EG 光盘中提供了常用外设的演示程序，例如：

使用Linux API 操作开发板上的LED
使用Linux API 操作开发板上的按键
使用Linux API 操作开发板上的CAN
使用Linux API 进行网络通讯
程序以及源码都位于“/Examples/”，用户可以根据目录内的Makefile 进行编译。

这里我们使用Xilinx Vivado新建一个HelloWorld工程，生成启动镜像，从TF卡启动。整个过程分为：

生成开发板的硬件平台
将硬件平台导出到SDK
创建一个“HelloWorld”工程
产生Boot Loader（fsbl）
生成SD 卡启动映像，从microSD启动

以下是笔者实际操作的流程：
（1） 新建vivado工程

创建一个RTL工程，选择开发板芯片为 xczu3eg-sfvc784-1-e。

（2）创建Block Design，添加并配置PS 的IP核

单击 IP Integrator->Create Block Design 新建一个 Block Design，点击Add IP，

添加Zynq UltraScale+MPSoC IP核

双击zynq mpsoc 核导入配置文件Presets‐‐>Apply Configuration

厂家在光盘资料中提供了示例预配置文件，导入hello_world.tcl 配置文件，然后点击OK。
（3）生成综合文件

右击 design_1‐>Generate Ouput Products‐>Generate

（4）生成FPGA顶层文件

（5）生成bitstream

（6）导出硬件配置文件

点击菜单栏上的 File‐>Export‐>Export Hardware‐>OK 导出硬件配置文件

（7）启动SDK，新建fsbl

点击菜单栏上的 File‐>Launch SDK‐>OK 启动 SDK

在Xilinx SDK软件中，点击File‐‐>Application Project 新建工程，输入工程名为fsbl，选择Zynq MP FSBL，点击Finish。

（8）新建一个helloworld工程

在Xilinx SDK中点击File‐‐>Application Project 新建工程，输入工程名为hello_world，选择Board Support Package为上一步中生成的fsbl_bsp，选择hello_world 模板，点击Finish。

（9）生成boot image

右击 hello_world ‐‐>Create boot Image，点击Create Image，生成BOOT.bin 启动文件

将开发板的启动模式switch 开关SW1 的1 拨到OFF，2 拨到ON，3 拨到OFF，

4 拨到ON，设置成TF 卡启动模式，

然后将这个BOOT.bin 文件拷贝到SD 卡，板子接入电源，串口连接电脑，打开电源开关，开发板上运行。电脑端连接microUSB线，打开putty，可以板子上电运行在终端打印字符“”“Hello World”

总结
作为国内首款Zynq UltraScale+ MPSoC平台开发板，MYD-CZU3EG核心板性能配置强大且设计紧凑可靠，外设底板接口资源丰富，厂家为开发者提供的软件开发环境也比较完善，非常适合人工智能，工业控制，嵌入式视觉，ADAS，算法加速，云计算，有线/无线通信等应用领域做原型开发。

编辑：hfy