以下文章來源于FPGA算法工程師，作者18線工程師

自中高端FPGA技術(shù)成熟以來，F(xiàn)PGA+DSP/ARM架構(gòu)的硬件設(shè)計(jì)在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如無線通信、圖像處理、工業(yè)控制、儀器測量等。

在ZYNQ系列尚未推出以前，F(xiàn)PGA+DSP器件是眾多工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型搭配。

例如某司采用K7325T+6678的組合，推出應(yīng)用于無線通信、雷達(dá)處理和圖像處理等領(lǐng)域的板卡。中低端的K7325T可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和處理，DSP 6678則通過SRIO與FPGA實(shí)現(xiàn)連接傳輸，可做上層處理和應(yīng)用。

但從靈活性和應(yīng)用場景看，無法實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，限制了FPGA+DSP架構(gòu)的進(jìn)一步推廣。

此外，一種分立式的FPGA+CPU架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)硬件邏輯和軟件應(yīng)用開發(fā)，通?？梢酝ㄟ^PCIE和Ethernet接口實(shí)現(xiàn)交互傳輸。

隨著業(yè)務(wù)場景的需求日益豐富，對人機(jī)交互、網(wǎng)管維護(hù)等高層應(yīng)用不可或缺。以FPGA+ARM/CPU等架構(gòu)的SOC成為了近10年主要應(yīng)用平臺(tái)。

例如，Xilinx推出的ZYNQ系列，成為行業(yè)里最為廣泛推薦應(yīng)用的明星產(chǎn)品。以PS+PL的系統(tǒng)開發(fā)和邏輯開發(fā)，極大方便了軟硬件開發(fā)工程師在一塊芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，極大提高了系統(tǒng)集成度和可操作性。

在一塊SoC上，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理、高速邏輯、高低速接口傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、Web操作界面等。

處理器可以被看作是硬件系統(tǒng)的中央單元，ZYNQ部分包含豐富的外設(shè)和處理器，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)版本加載和控制。

PL側(cè)則是純邏輯FPGA開發(fā)，PS-PL之間可以通過GPIO、AXI-Lite、AXI-Stream等接口實(shí)現(xiàn)交互傳輸。

PS-PL之間通過豐富的接口實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，PS可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)、軟件處理和板級驅(qū)動(dòng)支持；PL則可實(shí)現(xiàn)并行高速處理、接口傳輸、存儲(chǔ)、溫度監(jiān)測等。

APU主要是由兩個(gè)ARM處理核組成的，每個(gè)都關(guān)聯(lián)了一些可計(jì)算的單元：一個(gè)NEONTM媒體處理引擎（Media Processing Engine，MPE）和浮點(diǎn)單元（Floating Point Unit，F(xiàn)PU）；一個(gè)內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）；和一個(gè)一級cache存儲(chǔ)器（分為指令和數(shù)據(jù)兩個(gè)部分）。APU里還有一個(gè)二級cache存儲(chǔ)器，再往下還有片上存儲(chǔ)器（On Chip Memory，OCM）。最后，由一個(gè)一致性控制單元（Snoop Control Unit，SCU）在ARM核和二級cache及OCM存儲(chǔ)器之間形成了橋連接，這個(gè)單元還部分負(fù)責(zé)與PL對接，圖中沒有標(biāo)出這個(gè)接口。

在產(chǎn)品研制中，一個(gè)由若干人員組成的團(tuán)隊(duì)，通過分工合作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從需求到交付客戶的全流程。

項(xiàng)目經(jīng)理提取需求，并通過項(xiàng)目管理進(jìn)行需求分解，并制訂產(chǎn)品計(jì)劃。系統(tǒng)工程師則制訂系統(tǒng)規(guī)范，把控系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要事項(xiàng)，系統(tǒng)架構(gòu)師完成系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件架構(gòu)、硬件架構(gòu)和邏輯架構(gòu)的設(shè)計(jì)是產(chǎn)品能否成功的關(guān)鍵。開發(fā)工程師根據(jù)開發(fā)需求，負(fù)責(zé)各自領(lǐng)域的功能開發(fā)和驗(yàn)證，包括算法仿真、自測試和數(shù)據(jù)分析等。每個(gè)產(chǎn)品版本的集成涉及軟件和邏輯bit，各領(lǐng)域集成打包合成一個(gè)完整的版本。

產(chǎn)品測試通常由測試工程師負(fù)責(zé)完成，IC設(shè)計(jì)中則由驗(yàn)證工程師負(fù)責(zé)完成。測試通常根據(jù)產(chǎn)品復(fù)雜度，可能分為單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試等。

此外，版本輸出和開發(fā)過程中，質(zhì)量管理則為保障產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)立紅線，通過一系列管理措施，并與研發(fā)配合，完成產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤。

總結(jié)來說，ZYNQ的設(shè)計(jì)流程如下圖所示，PS側(cè)負(fù)責(zé)軟件開發(fā)，PL側(cè)負(fù)責(zé)邏輯開發(fā)，左后進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

FPGA天生適合實(shí)現(xiàn)高速并行計(jì)算，因此承擔(dān)了系統(tǒng)中計(jì)算量大、并行度高的部分，例如無線通信的基帶和中射頻，以及數(shù)據(jù)鏈路層等。

PS側(cè)的處理器帶操作系統(tǒng)，可是實(shí)現(xiàn)上層軟件應(yīng)用，運(yùn)行軟件協(xié)議等。

BSP則在軟件和硬件之間搭建起傳輸通道，實(shí)現(xiàn)軟硬件驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)傳輸。

ZYNQ具備的SoC屬性，使其能夠滿足大部分場景下的高性能計(jì)算和應(yīng)用。

典型應(yīng)用場景包括：無線通信、智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基于圖像視頻處理等。

例如，使用動(dòng)態(tài)部分重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)，可快速從更換波形。

在汽車領(lǐng)域，可用于顯示控制和道路識(shí)別。

在地面移動(dòng)無線通信、衛(wèi)星通信以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等中，廣泛應(yīng)用ZYNQ器件。FPGA是對基于包交換的無線和有線通信進(jìn)行計(jì)算密集型處理的平臺(tái)。這個(gè)領(lǐng)域很多樣化，包括地面和衛(wèi)星傳輸?shù)氖瞻l(fā)信機(jī)、移動(dòng)通信骨干網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、聲納、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）和許多其他的通信系統(tǒng)。例如Starlink、Oneweb、國網(wǎng)、千帆等巨型星座低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，廣泛采用FPGA進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

此外，在防務(wù)安全和航空航天領(lǐng)域，F(xiàn)PGA+ARM/CPU/GPU等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈、星地通信或星間鏈路傳輸。防務(wù)系統(tǒng)包括各種通信、圖像處理、航空、導(dǎo)航和運(yùn)輸系統(tǒng)，以及和武器相關(guān)的技術(shù)。軍用電路通常需要比民用應(yīng)用更高的穩(wěn)固性，以及更大的溫度范圍和安全特性。民用航空應(yīng)用包括導(dǎo)航和機(jī)上飛行系統(tǒng)、衛(wèi)星和地面通信以及雷達(dá)系統(tǒng)。

在工業(yè)控制、機(jī)器人、儀器等應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)PGA+ARM/CPU/GPU發(fā)揮著重要作用。從制造和加工到高能物理實(shí)驗(yàn)的工業(yè)和科學(xué)處理，都需要精密的控制和儀器。FPGA和Zynq芯片是非常合適的平臺(tái)，因?yàn)榻柚赑L的能力，它們能快速、實(shí)時(shí)地同時(shí)處理多個(gè)傳感器的輸入并操作多個(gè)動(dòng)作器的輸出。Zynq在系統(tǒng)集成和操作的靈活性上還有更大的潛力。比如，可以監(jiān)視一個(gè)控制環(huán)的性能，如果有必要就可以改變它的配置轉(zhuǎn)用軟件控制。如果需要，PS還可以支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及（或）GUI（圖形用戶界面）。此外，ZYNQ用于信號(hào)源、示波器、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信道模擬器等儀器設(shè)備。

圖像視頻處理是ZYNQ的另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，通過衛(wèi)星遙感/SAR雷達(dá)/光學(xué)、數(shù)據(jù)鏈、自組網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場態(tài)勢感知。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)療設(shè)備（CT機(jī)/內(nèi)窺鏡等）、機(jī)器人輔助醫(yī)療等。包括家用和專業(yè)用的攝像頭、視頻壓縮和存儲(chǔ)系統(tǒng)、廣播設(shè)備、顯示技術(shù)、工業(yè)過程監(jiān)視、保安和監(jiān)控、以及許多其他應(yīng)用。視頻應(yīng)用既需要對大量像素點(diǎn)數(shù)據(jù)的確定處理，也需要從圖像中提取數(shù)據(jù)的軟件算法（正好相應(yīng)地適合PL和PS）。

目前，國內(nèi)的FPGA廠商正在推進(jìn)“國產(chǎn)ZYNQ”SoC器件設(shè)計(jì)研發(fā)，部分廠家已經(jīng)流片測試驗(yàn)證中，預(yù)計(jì)今年下半年至明年上半年上市。

高端器件如RFSoC、ACAP等作為ZYNQ的升級版，在5G通信、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域使用，國產(chǎn)同類型器件則相對缺乏，處于追趕或另辟蹊徑的狀態(tài)。