Xilinx 16nm Zynq UltraScale+ MPSoC相关技术信息以及其特点

Xilinx的六位专家在IEEE Micro杂志3/4月刊上联名发表了一篇15页的长文深度描述了Xilinx 16nm Zynq UltraScale+ MPSoC相关技术信息。您可以通过在线浏览 获取该文章的电子版全文或继续阅读本文了解技术的关键内容。

Zynq UltraScale+ MPSoC是Xilinx推出的第二代多处理SoC系统，在第一代Zynq-7000的基础上做了全面升级。包括先进的multi-domain，multi-island电源管理系统；高密度片上UltraRAM静态存储器；单通道速率高达32Gbps的高速收发器；集成100GbE、PCIe Gen4、150Gbps Interlaken等I/O控制器；高性能UltraScale可编程逻辑。和Zynq-7000系列器件相比，加密、安全和电源管理都得到了显著增强。Zynq UltraScale+ MPSoC系统框图如下图1所示。

图1 Zynq UltraScale+ MPSoC系统框图

和第一代Zynq-7000 SoC一样，Zynq UltraScale+ MPSoC第一级初始化boot也是先从PS启动，支持RSA签名和AES认证。在初始化Boot确认整个器件的安全性之后再加载PL（可编程逻辑）配置。用户可以把Zynq UltraScale+ MPSoC的片上PL看成处理器的外设，可用于应用加速或其它差异化的处理。Zynq UltraScale+ MPSoC的各子系统和PL可以完全关电或进行动态电源管理按需开关。大多数的Zynq UltraScale+ MPSoC PS里面的处理器核均可独立供电。

Zynq UltraScale+ MPSoC的PS有以下主要特点：

一个四核64位ARM Cortex-A53处理器，带L1和L2级缓存和ECC功能，可单独上电和关电；

Cache一致性互联单元为PS和PL提供双向Cache一致性保证；

SMMU（系统内存管理）单元用于PS和PL虚拟内存管理；

双核ARM Cortex-R5F处理器（带浮点扩展），可运行在锁步模式或独立工作模式，包含Cache和带ECC的存储，可成对关电；

ARM Mali-400 MP2 GPU用于2D/3D图形显示，带支持一路或两路4Kp30视频流的DP接口；

H.265/264视频编解码器，10位像素深度下支持4Kp60编解码；

基于三冗余处理器的配置和电源管理单元；

DDR控制器支持ECC功能的DDR3/4和LPDDR3/4 SDRAM，Zynq UltraScale+ MPSoC的PS和PL共享SDRAM空间；

硬核外设包括：GigE、USB3.0、SATA3.0、SPI、IIC、CAN、UART和Flash控制器（QSPI-NOR、SD、eMMC、ONFI NAND）。

Zynq UltraScale+ MPSoC的PS由两个处理子系统构成：双核Cortex-R5F实时处理子系统，包括低功耗域的锁步RPU（实时处理单元）；应用子系统含一个基于四核、64位 ARM Cortex-A53 处理器的RPU（应用处理单元），工作在全功耗域。Zynq UltraScale+ MPSoC使用一个独立的功耗域用于PL和电池供电域（安全秘钥和实时时钟）。

基于双核ARM Cortex-R5F处理器的RPU可工作在锁步和独立运行模式。锁步模式用于安全性要求严苛的场合，在锁步模式下，从处理器输入延时两拍提供时间分集。两个AMR Cortex-R5F处理器版图在物理上不同以提供物理分集，锁步检查逻辑也是冗余的。RPU有一个独立的低延时接口到PL，在全功耗域（包括APU）关电的情况下也可以访问。RPU可以低延时确定性访问片上内存来用于安全性要求严苛的实时服务。低功耗子系统（LPS）包括RPU支持ASIL-C和SIL3标准。全功耗子系统（FPS）包括APU支持 ASIL-B和SIL2标准。

APU、RPU和PL子系统共享内存，Zynq UltraScale+ MPSoC的SMMU提供内存保护并在Boot时为APU、RPU和PL子系统提供内存分割。片上的DDR控制器提供六个访问端口供片上多个Master设备共享访问。DDR控制器提供三种模式的交易：低延时（LL），高吞吐（BE）和实时（RT）。低延时（LL）交易具有最高优先级的仲裁，实时（RT）交易不能超过其延时要求，RT请求带时间戳和跟踪功能确保给定延时保证。如果RT交易延时保持在给定要求之下，它被当做高吞吐（BE）交易，当RT时间戳超出延时保证，内存控制器提高RT的优先级到最高级。

多端口的PS-PL互联支持高达1TB的带宽，每个Port可支持85Gbps，Port符合AMBA AXI4接口标准，支持128、64或32bit数据位宽访问。一致性端口符合AMBA ACE Cache一致性协议，提供单向或双向的Cache一致性保证。

Zynq UltraScale+ MPSoC可以从QSPI、ONFI NAND、SD卡或者eMMC启动，启动镜像和bit文件可以使用4096bit RSA秘钥签名（带384bit SHA-3）。同时还提供片上存储器用于多重RSA公共秘钥来支持秘钥撤回。安全boot支持256bit AES加密，AES秘钥可以存储在e-fuse或电池供电备份的RAM中。为了缓和DPAs，解密只在签名认证成功后进行。启动镜像（或bit文件）加密支持key rolling进一步缓和DPAs。篡解检测机制检测供电、片上温度、时钟频率和关键的内部和外部接口。如果检测到篡解事件，安全子系统清除并锁定系统，只能是再次冷启动才能恢复。

Zynq UltraScale+ MPSoC有多个电源域，然后更进一步分成多个power islands——on-die power-gated域。每一个APU处理器核都是独立的power-gated，RPU处理器是成对的power-gated。在FPD电源域上电的时候，每一个APU核都能够通过power-gate独立关电，APU L2和RPU紧密耦合内存也是可以独立关电的。每一个大型外设同样可以独立关电。标准的电源管理API允许PMU（电源管理单元）为APU和RPU提供电源管理服务。

Zynq UltraScale+ MPSoC支持四种电源模式：
① Full-power模式；
② Low-power模式，此时FPD是关闭的；
③ Sleep模式同时DRAM暂停；
④ Power-off模式同时DRAM暂停。