Студент Веденеев Н.А.

Владимирский Государственный Университет, Россия

Преимущества использования систем на кристалле

в комбинации с новыми поколениями сигнальных процессоров

В настоящее время все более и более часто возникает потребность в эффективных инженерных решениях сочетающих в себе высокую производительность, малые габариты, низкое энергопотребление, низкую стоимость, высокую надежность и долговечность.

Одним из наиболее удачных решений в этой области является использование систем на кристалле, которые в сравнение с уже существующими системами, сочетают в себе все вышеперечисленные характеристики. Такие системы используются уже долгое время в современных проектах основанных на использовании микроэлектронных технологий, позволяя достичь максимальных результатов при минимальных затраченных ресурсах. Они способны выполнять функции целого устройства, при этом размещаясь на одной интегральной схеме.

В зависимости от назначения система может оперировать как цифровыми сигналами, так и аналого-цифровыми, а так же частотами радиодиапазона. Как правило, системы на кристалле нашли свое применение в портативных и встраиваемых системах. Использование стандартных протоколов или же использование собственных дает возможность интегрирования в систему многофункциональных процессоров компании ARM.

Процессоры ARM (Advanced RISC machine) реализуемые на базе систем на кристалле (System-on-chip) являются одними из наиболее эффективных решений в области обработки сигналов. В области применения встраиваемых систем позиционирования возникает потребность в высокопроизводительных вычислениях в сочетании с высокой энергетической эффективностью и малыми габаритами. Существующая системная платформа основана на комбинации программируемых логических интегральных микросхем и компонентов графической обработки GPU (Graphics Processor Unit), которые обладают большим энергопотребление и внушительными размерами. Процессоры ARM являются ключевым элементом для решения задач такого типа.

Одним из последних достижений стало создание устройств основанных на сочетание в себе преимуществ ARM технологий и программируемых логических интегральных микросхем, такое сочетание снижает стоимость комплектующих проекта и габаритов в сочетании с гибкой аппаратной и математической частью программного обеспечения. В качестве основной платформы для реализации, обработки сигналов в данной работе используется Xilinx Zynq-7000 SoC. Основным инструментом для работы с этой платформой является Xilinx Vivado, для аппаратного проектирования и Xilinx SDK (Software Development Toolkit) для разработки программного обеспечения.

Zynq All Programmable SoC (ZedBoard) предоставляет широкий выбор возможностей для реализации проектов в области проектирования встраиваемых систем. Что в свою очередь позволяет решать задачи высокой сложности, требующих высокой производительности при тесной взаимосвязи аппаратного и программного обеспечения. Вместе с широким выбором возможностей увеличивается сложность процесса проектирования, что соответственно увеличивает требование к разработчику, который должен быть способным сочетать в себе оба умения для полноценной реализации проекта. Для того, чтобы получить полное представление о возможностях ZedBoard разработчику необходимо знать, как именно происходит процесс создания интерфейса взаимодействия между программируемой логикой ПЛИС и современным программным пакетом ARM процессоров. Одной из таких задач является создание интерфейсов взаимодействия этих двух частей для передачи полученных/переданных данных от программируемой логики (PL) к вычислительной системе (PS) и в обратном направлении. Существует много вариантов позволяющих осуществить данную задачу. Какой именно выбрать будет зависеть только от конкретной задачи поставленной перед разработчиком.

В качестве основной платформы для реализации алгоритмов исследования сигналов возможно использования ZedBoard All Programmable SoC. Основными инструментами для проектирования аппаратной части и разработки программного обеспечения являются Vivado и SDK соответственно.

Высокая степень интегрированности упомянутых выше сред для проектирования программной и аппаратной части в разы увеличивает скорость и возможности для реализации проектов, но так же увеличивает сложность, добавляя большое количество требований к разработчику.

Рассматриваемая конфигурация платформы может быть разделена на три главные части:

· Программируемой логики вентильной матрицы;

· Мультиплексированных входов/выходов;

· Системы обработки данных;

В исследуемой платформе роль цифрового сигнального процессора (система обработки данных) играет установленный на 28 нм кристалле Zynq - 7000, который является «сердцем» программной системы. Возможность подключения внешних периферийных устройств, а так же использования специальных отладочных плат или плат, которые расширяют функциональные возможности ZedBoard (например, использование оптоволокна или беспроводных технологий) играет неоценимую роль в обработке поступающей на платформу информации, для последующего использования DSP алгоритмов.

Результатом сочетания данных возможностей становится непревзойденный уровень производительности системы, гибкость и её масштабируемость, позволяя разработчикам оптимизировать и дифференцировать свои разработки.