Eclypse Z7开发板让软件开发人员了解FPGA

当你想到它时，这是一个有趣的旧世界。您可能知道也可能不知道，我的学位是控制工程（现在称为系统工程）。该课程包括数学专业和电子、机械、液压和流体学的辅修课程（不要问我们在业余时间做了什么）。

尽管我涉足编写软件，但我专注于以奇怪而奇妙的方式创建代码失败。我是一名硬件设计工程师。我的第一个职位是为大型计算机设计中央处理器 (CPU) 的团队成员。

当 MPU 和 MCU 在 1970 年代首次出现时，绝大多数编写软件的人都是那些在“大铁”大型机和小型机上工作的人。因此，主要是硬件工程师为基于 MPU/MCU 的嵌入式系统编写原始程序。

当然，这些天来，整个行业对软件编码的兴趣不断增加。事实上，2019 年赛灵思开发者论坛 (XDF) 的一位主题演讲者指出，“工程蛋糕”现在由 80% 的软件开发人员组成，而硬件设计人员仅占 20%。这可能表明我是一个垂死品种的成员，但我更愿意相信随着岁月的流逝，我变得越来越特别。（小时候妈妈常说我很特别，我傻傻地把这当成夸奖了也是一种赞美。）

如果您在无人看的情况下快速使用 Google，您会看到估计全世界大约有 2200 万软件开发人员。其中，大多数专注于应用程序级和基础设施级编码，仅剩下大约 120 万个专注于嵌入式系统。

反过来，绝大多数嵌入式软件开发人员专注于 MPU 和 MCU 的编码；很少有人有使用现场可编程门阵列 (FPGA) 的经验。这是不幸的，因为尽管常规处理器非常适合执行决策和控制杂务，但在执行许多数据处理任务时它们的效率非常低。相比之下，FPGA 能够以大规模并行方式执行复杂的数据处理任务，从而使它们能够提供显着的算法加速。

在许多情况下，理想的解决方案是将常规处理器的决策和控制能力与在 FPGA 可编程结构中实现的硬件加速器提供的算法处理能力相结合。为了促进这一点，赛灵思创建了 Zynq 系列 SoC FPGA，它将硬化处理器内核与可编程结构相结合。例如，Zynq 7020 提供双核 667 MHz 32 位 Arm Cortex-A9 处理器（带有缓存和浮点单元）以及 13,333 个可编程逻辑片。

唯一的问题是如何将 FPGA 的优势提供给没有时间了解 FPGA 并且对此没有兴趣的软件开发人员。解决方案是具有 SYZYGY 兼容扩展的 Digilent 的Eclypse Z7 开发板。

除了前面提到的 Zynq 7020，Eclypse Z7 还拥有 1 GB DDR3L 内存、一个 MicroSD 卡插槽和一个千兆以太网接口。高速仪器、医疗设备、软件定义无线电 (SDR) 和许多其他应用的嵌入式系统开发人员特别感兴趣的是，除了两个 Pmod 接口之外，Eclypse Z7 还提供两个 Zmod 接口.

直到最近，任何想要对基于 FPGA 的新系统进行原型设计或开发的人都受到两种最常用扩展方案的能力的限制：Pmod和FMC。Pmod（外围模块）接口是由 Digilent 定义的开放标准，并已在整个行业中广泛采用。Pmod 非常适合 1 至 50 MHz 范围内的低速外设；6 针、8 针和 12 针连接器的实施成本低廉；并且有许多现成可用的低成本外围模块。

另一端是 ANSI/VITA FMC（FPGA 夹层卡）标准，它更适合数据速率高达 10 Gbps 的高性能外设。在这种情况下，72 针和 200 针连接器要贵得多，外围设备本身的成本可能高达数千美元。

为了弥补这一差距，Opal Kelly的人们创建了 SYZYGY（发音为“Sizz-Uh-Gee”）开放标准，用于将高性能外设连接到 FPGA 硬件。（另请参阅SYZYGY 起源故事。）SYZYGY 满足了 FPGA 和硬件外围设备之间对高速数据采集、数字图像捕获、软件等应用所需的紧凑、低成本、低引脚数、高性能连接解决方案的需求- 定义无线电和数字通信。

目前，有两个 Digilent SYZYGY 模块可供使用：一个双通道、14 位、每秒 100 兆采样 (Msps) 模数转换器 (ADC)，以及一个相应的双通道 14 位数字转模拟转换器（DAC）。这些模块可以单独购买，也可以与 Eclypse Z7 捆绑购买。

但等等，还有更多，因为强大的 Eclypse Z7 硬件由创新的软件架构支持，允许软件开发人员涉足 FPGA 领域。

在 Zynq-7020 SoC FPGA 中，器件的编程系统 (PS) 部分——即双核 32 位 Arm Cortex-A9 处理器——连接到系统的可编程逻辑 (PL) 部分使用高速 AXI 总线。这意味着在 PL 中实现的外围功能和硬件加速器可以轻松地与在 PS 上运行的软件进行通信。

Eclypse Z7 软件架构

Eclypse Z7 的软件架构包括预构建的 Linux 映像以及软件开发人员可以使用熟悉的编程语言访问的高级 API。这使开发人员能够利用 FPGA 硬件加速的优势，而不必直接与 FPGA 本身进行交互。

我只能说，对于想要享受 FPGA 提供的优势而无需真正了解 FPGA 的嵌入式软件开发人员来说，这是一个激动人心的时刻。更令人兴奋的是，Digilent 正在向我们征求我们认为下一步应该将哪些外围功能实现为 Zmod 模块的建议。