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Multicore-SoCs mit hohem Integrationsgrad

Die Evaluierungsplatine ZCU102 von Xilinx bietet das Zynq-UltraScale+-Multiprozessor-SoC XCZU9EG, das einen unglaublichen Integrationsgrad aufweist. Seine Multicore-Verarbeitungsmöglichkeiten umfassen einen 64-Bit-Quad-Core-Prozessor Cortex-A53 und einen Dual-Core-Echtzeitprozessor Cortex-R5, die eng über FPGA-Logik gekoppelt sind, Kommunikationsschnittstellen und einen Grafikprozessor (Abbildung 1, siehe Bildergalerie).

Diese Evaluierungsplatine (Abbildung 2, siehe Bildergalerie) verfügt über 4 Gbit mit dem Prozessor-Subsystem verbundenes DDR4-SODIMM und weitere 512 Mbit mit der programmierbaren Logik verbundenen DDR4-Arbeitsspeicher. Sie umfasst zwei Schnittstellen für FPGA-Mezzanin-Karten (FMC) für künftige Erweiterungen sowie weitere moderne Schnittstellen (PCIe Gen2x4, USB3, Displayport, SATA), die sie zu einer perfekten Evaluierungsplattform für viele Anwendungen in den Bereichen Automobilbau, Industrie, Video und Kommunikation machen.

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Die EG-Familie kann von etwa 100.000 auf mehr als eine Million Systemlogikzellen mit 50.000 bis über 500.000 Lookup-Tabellen (LUT) für konfigurierbare Logikblöcke skaliert werden. Dieser Konfigurierbarkeitsgrad eröffnet der Zynq-UltraScale+-Familie zusammen mit Hardware-Multimediablöcken und der integrierten Hochgeschwindigkeits-Peripherie einen großen Bereich von anspruchsvollen Anwendungen. Die Evaluierungsplatine ZCU102 ist eine perfekte Entwicklungsplattform mit der fünffachen Leistung pro Watt im Vergleich mit der Zynq-7000-Familie.

Anwendungen benötigen immer mehr Leistung

Die Nachfrage nach Leistung steigt ständig, insbesondere im Bereich Kommunikation. Der größte Teil der Internetaktivitäten stützt sich auf Informationen, die in Datenbanken gespeichert sind. Am weitesten verbreitet ist SQL. Eine Technik, mit der SQL-Datenbanken beschleunigt werden können, ist die Verwendung eines Cache-Speichers, der normalerweise als Standardprozessor mit integriertem DRAM implementiert ist. Dies funktioniert zwar, ist aber ebenfalls durch die Grenzen der Prozessorarchitektur beschränkt, die nicht für diesen Einsatzzweck konzipiert wurde.

Ein Baustein wie der Zynq-UltraScale+ bietet eine optimierte Lösung für das Streamen von Daten, ohne den Prozessor zu beanspruchen, indem er unter Verwendung seiner hochentwickelten Merkmale als eigenständiger Server im Netzwerk fungiert. Damit kann eine vierfache Leistung mit einem Zwanzigstel der Leistungsaufnahme verglichen mit einem Standard-x86-Prozessor erreicht werden.

In der Automobilindustrie werden mit Fahrerassistenzsystemen (ADAS) immer häufiger Kameras in Autos eingesetzt. Dadurch entsteht ein Bedarf an SoCs, die 2-Megapixel-Kameradaten mit 30 fps bewältigen können. Dank seines hohen Integrationsgrads ist der Zynq-UltraScale+ für diese anspruchsvolle Anwendung geeignet.

Die ZCU102 wird mit kompletter IP und Tools geliefert, sodass Nutzer sofort mit der Entwicklung dieser und vieler weiterer Anwendungen beginnen können. Mitgeliefert wird die Vivado Design Suite: Design Edition-Gutschein mit Lizenzen, die auf das Gerät und den Baustein XCZU9EG auf der Platine beschränkt sind.

SoCs als ideale Plattform für ein vernetztes IoT-Gerät

Das IoT wird oft als Netzwerk von Geräten mit beschränkten Ressourcen und Funktionen beschrieben, aber es umfasst auch die Vernetzung und Automatisierung vieler vorhandener Anwendungen. SoCs mit dem richtigen Funktionsumfang und geringer Leistungsaufnahme können aufgrund ihres hohen Integrationsgrades die ideale Plattform für ein vernetztes Gerät darstellen.

Der SmartFusion2 von Microsemi ist beispielsweise für Motorsteuerung und industrielle Automatisierung bestimmt, kann aber problemlos als Basis eines sicheren vernetzten Geräts fungieren. In ihm sind eine Flash-basierende FPGA-Struktur mit einem ARM-Cortex-M3-Kern und Hochleistungs-Kommunikationsschnittstellen wie CAN, Gigabit Ethernet, HS-USB und PCIe sowie DDR2/DDR3-Speichercontroller integriert.

Das SmartFusion2-Entwicklungskit erleichtert Entwicklungen

Microsemi hat zur Unterstützung der Entwicklung von Anwendungen mit dem SmartFusion2 das erweiterte SmartFusion2-Entwicklungskit entwickelt. Abbildungen 3 und 4 (siehe Bildergalerie) zeigen die wesentlichen Merkmale der Platine. Auf der Grundlage dieses Kits hat Microsemi eine Demo-Anwendung entwickelt, die die für das Erstellen eines sicheren Webservers mit Unterstützung des Sicherheitsprotokolls TLS/SSL zum Senden und Empfangen von verschlüsselten Daten erforderliche Software einschließlich Unterstützung enthält, also genau für die Anwendung, die jetzt im IoT an Bedeutung gewinnt.

Wie Abbildung 5 (siehe Bildergalerie) zeigt, erhält die Anwendungsschicht Anforderungen von einem Client-Browser und beantwortet diese mit statischen Webseiten, während die Serveranwendung auf dem SmartFusion2 läuft. Das Protokoll TLS/SSL wurde mithilfe der Open-Source-Bibliothek PolarSSL implementiert. Die Transportschicht (TCP/IP) wird durch weitere Open-Source-Software realisiert, die mit oder ohne Betriebssystem verwendet werden kann.

In diesem Beispiel werden Tasks mit dem Open-Source-Echtzeitbetriebssystem FreeRTOS priorisiert und geplant. Das erweiterte Entwicklungskit kann auch zur Ausführung von uClinux konfiguriert werden, eines Betriebssystems auf Linux-Basis, das von Microsemi für das SmartFusion2-SoC modifiziert wurde.

Mit 150.000 Logikelementen, einem 166-MHz-Cortex-M3-Kern und dedizierten DSP-Blöcken zusammen mit eingebettetem, nicht flüchtigem Speicher (Non-Volatile Memory, NVM) und SRAM bietet der SmartFusion2 ein leistungsfähiges Gleichgewicht zwischen Konfigurierbarkeit und fest verdrahteter Funktionalität.

Das erweiterte Entwicklungskit nutzt dieses Potenzial durch die Unterstützung von PCIe-Randverbindern, FMC-Verbindern, zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüssen, SPI und UART. Über einen zusätzlichen Hochleistungs-Operationsverstärker kann der Energieverbrauch des Bausteins während der Entwicklung gemessen werden. Dies ermöglicht den Entwicklern, eine optimale Lösung innerhalb eines vorgegebenen Budgets zu entwickeln.

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