Suchen

FPGA Entwicklung von schnellen Applikationen mit SDSoC und Zynq

Autor / Redakteur: Prof. Dr. Ing. Ralf Gessler, Jochen Krause und Dirk Schmitz * / Sebastian Gerstl

In der Automatisation sind hohe Datenraten und leistungsstarke Kommunkationsschnittstellen entscheidend. Mit den richtigen Entwicklungstools bieten hier SoC-FPGAs große Vorteile beim Produktdesign.

Firmen zum Thema

Entwicklungsumgebung: Das SDSoC Design Environment für SoCs und MPSoCs von Xilinx ermöglicht den Entwicklern von Embedded-Software den Einsatz der "all programmable" Hard- und Software-Bausteine.
Entwicklungsumgebung: Das SDSoC Design Environment für SoCs und MPSoCs von Xilinx ermöglicht den Entwicklern von Embedded-Software den Einsatz der "all programmable" Hard- und Software-Bausteine.
(Bild: Xilinx)

In der modernen Automatisierungstechnik ist die Verarbeitungsgeschwindigkeit (Datenrate) bei wachsenden Vernetzung und Kommunikation (etwa im Falle von Industrie 4.0 bzw dem Internet of Things [1]) ein entscheidender Schlüsselfaktor. Schnelle Produktionsprozesse, wie Signal-/Bildverarbeitung, Regelung, Robotik oder Kommunikation, weisen Reaktionszeiten im Millisekunden-Bereich auf. Typische Anwendungsgebiete in der Automatisierungstechnik sind beim Abfüllen, Verschließen und Verpacken von Pharma-, Kosmetik- und Konsumentenprodukte. Auch der wachsende Markt „Life Science“ – Medizin- Pharma- und Biotechnik – wird immer mehr von der Automatisation erobert [2].

Bildergalerie

Durch den schnellen Entwicklungsprozess mit SDSoC und der Zynq-Familie können hohe Datenrate sowie kundenspezifische Implementierungen von Peripherie (Kommunikationsschnittstellen) realisiert werden. Dies ist entscheidend für zukünftige hoch performante und flexible kundenspezifische Anlagen in der Automatisierungstechnik.

Die Zynq-Familie basiert auf einer 28 nm SoC (System-on-Chip)- und einer 16 nm MPSoC (Multiprocessor-SoC)-Architektur. Weiterführend wird nur die SoC-Architektur betrachtet.

Ein Überblick über die Zynq-Familie und das Tool SDSoC

Die Zynq SoC-Architektur integriert ein Dual-Core-ARM Cortex-A9 Prozessorsystem (PS) und eine programmierbare Logik-Einheit (PL) auf einem Chip. Der ARM-basierte PS-Teil ermöglicht den Zugang zu einer Vielzahl von Werkzeugen von Drittanbietern und IP. Die Kommunikation zwischen PS- und PL-Teil erfolgt in hoher Bandbreite mittels der ARM AMBA AXI-Schnittstelle. Die Taktfrequenz des Dual-Cores beträgt bis zu 1 GHz und ermöglicht den Einsatz eines Betriebssystems (OS), wie z. B. Linux. Das OS mit GUI kann als Mensch-Maschine-Schnittstelle zur Benutzerführung eingesetzt werden. Der PS-Anteil verfügt über zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, wie je zwei Ethernet-, USB-, CAN-, SPI-, UART-, I2C-Anschlüsse und zahlreiche digitale Ein- und Ausgänge.

Der Vorteil der programmierbaren Logik (PL-Teil) liegt in der massiven Parallelverarbeitung (CIS; Computing-In-Space) und der damit verbundenen hohen Datenrate. Außerdem verfügt dieser über zahlreiche DSP-Funktionalität, wie DSP- und RAM-Blöcke, bis zu 16 serielle Transceiver mit einer Datenrate von bis zu 12,5 GBit/s und zwei 12 Bit Analog-/Digitalwandler. Die hybride Architektur aus CPU und Logik erlaubt die Implementierung einer kundenspezifischen Software-Lösung im PS-Teil und konfigurierbaren Logik im PL-Teil. Hierbei werden die Vorteile aus „beiden Welten“ (Mikroprozessor- und Schaltungstechnik) in Form eines Hardware-Software-Codesigns [3] genutzt.

(ID:44023256)