FPGA+DSPARM架构开发与应用

2026-04-24 17:33:28

　　自中高端FPGA技术成熟以来，FPGA+DSP/ARM架构的硬件设计在众多工业领域得到广泛应用。例如

　　在ZYNQ系列尚未推出以前，FPGA+DSP器件是众多工业领域应用的典型搭配。

　　例如某司采用K7325T+6678的组合，推出应用于无线通信、雷达处理和图像处理等领域的板卡。中低端的K7325T可以实现信号的采集和处理，DSP 6678则通过SRIO与FPGA实现连接传输，可做上层处理和应用。

　　但从灵活性和应用场景看，无法实现操作系统的应用，限制了FPGA+DSP架构的进一步推广。

　　此外，一种分立式的FPGA+CPU架构可实现硬件逻辑和软件应用开发，通常可以通过PCIE和Ethernet接口实现交互传输。

　　随着业务场景的需求日益丰富，对人机交互、网管维护等高层应用不可或缺。以FPGA+ARM/CPU等架构的SOC成为了近10年主要应用平台。

　　例如，Xilinx推出的ZYNQ系列，成为行业里最为广泛推荐应用的明星产品。以PS+PL的系统开发和逻辑开发，极大方便了软硬件开发工程师在一块芯片实现系统功能，极大提高了系统集成度和可操作性。

　　在一块SoC上，即可实现系统处理、高速逻辑、高低速接口传输、数据存储、Web操作界面等。

　　处理器可以被看作是硬件系统的中央单元，ZYNQ部分包含丰富的外设和处理器，可以实现系统版本加载和控制。

　　PS-PL之间通过丰富的接口实现互联，PS可实现系统启动、软件处理和板级驱动支持；PL则可实现并行高速处理、接口传输、存储、温度监测等。

　　APU主要是由两个ARM处理核组成的，每个都关联了一些可计算的单元：一个NEONTM媒体处理引擎（Media Processing Engine，MPE）和浮点单元（Floating Point Unit，FPU）；一个内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）；和一个一级cache存储器（分为指令和数据两个部分）。APU里还有一个二级cache存储器，再往下还有片上存储器（On Chip Memory，OCM）。最后，由一个一致性控制单元（Snoop Control Unit，SCU）在ARM核和二级cache及OCM存储器之间形成了桥连接，这个单元还部分负责与PL对接，图中没有标出这个接口。

　　在产品研制中，一个由若干人员组成的团队，通过分工合作，实现产品从需求到交付客户的全流程。

　　项目经理提取需求，并通过项目管理进行需求分解，并制订产品计划。系统工程师则制订系统规范，把控系统设计重要事项，系统架构师完成系统架构设计，软件架构、硬件架构和逻辑架构的设计是产品能否成功的关键。开发工程师根据开发需求，负责各自领域的功能开发和验证，包括算法仿真、自测试和数据分析等。每个产品版本的集成涉及软件和逻辑bit，各领域集成打包合成一个完整的版本。

　　产品测试通常由测试工程师负责完成，IC设计中则由验证工程师负责完成。测试通常根据产品复杂度，可能分为单元测试、集成测试和系统测试等。

　　此外，版本输出和开发过程中，质量管理则为保障产品质量设立红线，通过一系列管理措施，并与研发配合，完成产品质量跟踪。

　　总结来说，ZYNQ的设计流程如下图所示，PS侧负责软件开发，PL侧负责逻辑开发，左后进行联调。

　　FPGA天生适合实现高速并行计算，因此承担了系统中计算量大、并行度高的部分，例如无线通信的基带和中射频，以及数据链路层等。

　　在地面移动无线通信、卫星通信以及网络交换机等中，广泛应用ZYNQ器件。FPGA是对基于包交换的无线和有线通信进行计算密集型处理的平台。这个领域很多样化，包括地面和卫星传输的收发信机、移动通信骨干网络、有线网络设备、声纳、全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和许多其他的通信系统。例如Starlink、Oneweb、国网、千帆等巨型星座低轨卫星通信系统，广泛采用FPGA进行系统设计。

　　此外，在防务安全和航空航天领域，FPGA+ARM/CPU/GPU等实现数据链、星地通信或星间链路传输。防务系统包括各种通信、图像处理、航空、导航和运输系统，以及和武器相关的技术。军用电路通常需要比民用应用更高的稳固性，以及更大的温度范围和安全特性。民用航空应用包括导航和机上飞行系统、卫星和地面通信以及雷达系统。

　　在工业控制、机器人、仪器等应用领域，FPGA+ARM/CPU/GPU发挥着重要作用。从制造和加工到高能物理实验的工业和科学处理，都需要精密的控制和仪器。FPGA和Zynq芯片是非常合适的平台，因为借助于PL的能力，它们能快速、实时地同时处理多个传感器的输入并操作多个动作器的输出。Zynq在系统集成和操作的灵活性上还有更大的潜力。比如，可以监视一个控制环的性能，如果有必要就可以改变它的配置转用软件控制。如果需要，PS还可以支持实时操作系统及（或）GUI（图形用户界面）。此外，ZYNQ用于信号源、示波器、频谱仪、矢量网络分析仪、信道模拟器等仪器设备。

　　图像视频处理是ZYNQ的另一个重要的应用领域，通过卫星遥感/SAR雷达/光学、数据链、自组网等实现战场态势感知。医学领域的医疗设备（CT机/内窥镜等）、机器人辅助医疗等。包括家用和专业用的摄像头、视频压缩和存储系统、广播设备、显示技术、工业过程监视、保安和监控、以及许多其他应用。视频应用既需要对大量像素点数据的确定处理，也需要从图像中提取数据的软件算法（正好相应地适合PL和PS）。

　　目前，国内的FPGA厂商正在推进“国产ZYNQ”SoC器件设计研发，部分厂家已经流片测试验证中，预计今年下半年至明年上半年上市。

　　高端器件如RFSoC、ACAP等作为ZYNQ的升级版，在5G通信、数据中心等领域使用，国产同类型器件则相对缺乏，处于追赶或另辟蹊径的状态。

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