無線應用：Zynq All Programmable SoC的OS選擇考慮因素

2020-11-03

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隨著無線數據吞吐量的爆炸式增長，數位訊號處理技術和無線電設備在改進方面面臨著巨大壓力。

目前的重點放在4G LTE。

4G網絡正在世界各地大規模部署。

而且現在我們看到5G網絡的早期研發工作也已經展開，其目標是在4G網絡的基礎上將數據容量再提升上千倍。

這種新興的技術發展給系統廠商提出了不斷發展變化的新要求——他們必須提升系統集成度和系統性能，降低系統材料清單(BOM)成本，提高設計靈活性，並加速產品上市進程等。

傳統ASIC器件支持的硬體解決方案雖然可以實現功耗和成本目標，但偶生工程成本(NRE)極高、靈活性差且產品上市進程非常緩慢。

為了滿足這些要求並應對這些挑戰，賽靈思向行業推出了All Programmable SoC(APSoC)架構，並將其成功實現在Zynq-7000產品系列中。

Zynq-7000器件採用賽靈思APSoC架構並通過硬體、軟體和I/O可重編程功能可實現更大的系統級差異化、更高的集成度和靈活性(圖1)。

Zynq-7000器件自2011年12月推出以來，已廣泛應用於通信、數據中心、汽車、工業、航空航天與國防等眾多市場領域。

對通信市場(尤其是無線應用領域)而言，Zynq-7000帶來了獨特的優勢：其集成式可編程邏輯(PL)專門針對數位訊號處理進行了精心優化;其ARM Cortex A9處理子系統(PS)能夠高效實現典型無線設備(例如遠端射頻單元和無線回程單元)的控制功能。

圖1：Zynq-7000 All Programmable SoC架構

在構建基於Zynq APSoC器件的無線應用時，必須選擇能滿足應用需求的作業系統。

為此，針對不同的無線應用，需要考慮幾個關鍵因素：

1. 電信級運營能力：對電信級系統，一般要求系統可靠性達到99.999%。

單元在正常工作時間可靠性必須達到這麼高。

從運營的角度講，它代表對系統各項特性的支持，比如冷/熱啟動、故障監測、檢測和處理以及冗餘。

2. 實時處理：實時意味著可預測的響應時間，而不僅僅是「非常快」。

遠端射頻單元與無線回程處理相比有不同的實時要求。

無線電設備信號處理任務重，用於支持信號處理的處理器必須滿足嚴格的時序預算要求。

3. 診斷：為支持現場診斷和事後診斷，需要採集和存儲大量性能測量數據和日誌數據。

因此應具備跟蹤和管理對無線應用具有重要意義的部分關鍵指標的能力，比如性能衡量與統計指標、CPU利用率和故障監控指標、OS任務切換指標和事件歷史指標等。

4. 工具和協議集成：調試與診斷環境全面集成，加上部分OS廠商提供的一些特定的網絡協議棧，有助於設計人員開發和維護有效的系統。

Zynq SoC集成有兩個ARM Cortex A9內核。

軟體架構師需要在目前支持的兩種多處理器架構之間做出選擇：SMP(對稱多處理)或AMP(非對稱多處理)。

如圖2所示，在SMP系統架構中，兩個或更多完全相同的處理器共享資源，運行一個OS實例。

理論上，這種架構在同一OS實例下將平等對待所有處理器。

與相反之，AMP架構會區別對待每個處理器，不管是否有OS實例，處理器之間也彼此隔離。

沒有運行OS的內核可能在運行一段被視為「裸機」實例的微代碼。