新的NI cRIO-9068可重配置機(jī)箱和NI PXIe-7975R NI FlexRIO FPGA模塊采用的是Xilinx 7系列完全可編程FPGA和SoC設(shè)備。如果要深入理解NI新的可重配置I/ O(RIO)技術(shù)，需先了解Xilinx 7系列設(shè)備和NI cRIO-9068控制器中的創(chuàng)新之處。

FPGA的供應(yīng)商通常是率先使用新硅工藝開發(fā)設(shè)備的先驅(qū)者。在FPGA剛問世之時，F(xiàn)PGA供應(yīng)商可以利用摩爾定律，在使FPGA具有比前一代設(shè)備高出一倍容量的同時提高系統(tǒng)性能和降低功耗。 FPGA一開始用作為補充專用集成電路(ASIC)功能的膠合邏輯器件，現(xiàn)在在設(shè)計中已逐漸取代ASIC和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)。在過去10年中，Xilinx采用了最新的工藝和優(yōu)化的FPGA架構(gòu)，其器件集成了更為先進(jìn)的系統(tǒng)功能（如微處理器內(nèi)核、數(shù)字信號處理(DSP)片、RAM、用于PCI Express和USB的外設(shè)控制器、高速I / O）和FPGA周邊，系統(tǒng)價值遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)邏輯器件，同時也將系統(tǒng)的可編程性推向了一個新的高度，這是ASIC和ASSP所無法實現(xiàn)的。

2008年，Xilinx開始計劃開發(fā)7系列器件。公司各部門團(tuán)結(jié)協(xié)作，擴(kuò)展了“可編程”的定義，在28nm節(jié)點上不僅提供了工業(yè)最先進(jìn)的FPGA，而且還開發(fā)了改變編程規(guī)則的完全可編程SoC和3D IC系列產(chǎn)品。NI在幫助定義Xilinx 7系列器件的要求上也發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

Xilinx 7系列的一個主要區(qū)別在于Xilinx選擇28nm節(jié)點的硅工藝技術(shù)。Xilinx并沒有選擇***積體電路公司(TSMC)針對PC上的顯卡芯片量身定制的28nm高性能工藝或針對移動電話ASSP的28nm低功耗工藝，而是與TSMC合作開發(fā)專門針對FPGA要求的工藝。這一新工藝稱為TSMC 28nm HPL（高性能低功耗）工藝技術(shù)，為Xilinx FPGA的所有市場提供最佳的性能和功耗組合。這實質(zhì)上意味著需要以高性能運行的設(shè)計的功耗，而成本并不會非常高。相反，如果滿足了嚴(yán)格的功耗要求，該設(shè)計仍可實現(xiàn)相對較高的性能目標(biāo)。

由于整個7系列產(chǎn)品組合均采用相同的28nm HPL硅工藝，Xilinx可以更專心地在架構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新。Xilinx在7系列中引進(jìn)了所有類型的FPGA，包括低端的Artix-7完全可編程FPGA系列、中端的Kintex-7 完全可編程 FPGA系列以及高端的Virtex-7完全可編程系列。

除了開發(fā)全系列的完全可編程FPGA，該公司還成功開發(fā)了兩款全新的器件：Zynq-7000完全可編程SoC和Virtex-73D IC。這兩項發(fā)明榮獲來自全球多個行業(yè)刊物和行業(yè)協(xié)會授予的創(chuàng)新獎。

NI革命性的RIO產(chǎn)品系列——NI cRIO-9068和NI PXIe-7975R分別采用Zynq-7000完全可編程SoC和Kintex-7完全可編程FPGA。

1. Zynq-7000完全可編程SoC

圖 1. Zynq-7000完全可編程SoC在單個芯片中集成了雙核ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)、28nm FPGA芯片以及關(guān)鍵外設(shè)。

Zynq-7000 SoC這一器件屢獲多項大獎。它是第一款在單一芯片上結(jié)合了雙核ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)、FPGA芯片和關(guān)鍵設(shè)備（圖1）的設(shè)備。Zynq SoC硅芯片中有超過10,000通路將ARM Cortex-A9處理系統(tǒng)連接至FPGA芯片，使得器件的處理邏輯和可編程邏輯具有連通性，對于通過印刷電路板將獨立的基于ARM處理器的ASSP與FPGA相連接的系統(tǒng)來說，這是無法實現(xiàn)的。

該集成是cRIO-9068的主要價值所在，因為增強(qiáng)的互連功能實現(xiàn)了處理器和可編程邏輯之間的16個并行DMA通道和超過300 MB/ s功能帶寬，這可顯著提升控制器的性能。高DMA通道數(shù)還簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)，因為每個單獨的數(shù)據(jù)流均可以使用一個專用通道，而不需要構(gòu)建邏輯單元和處理器周期，否則會占用多個通道以及軟件的多速率交叉和分選機(jī)制。

Zynq SoC的另一個創(chuàng)新之處在于獨特的編程模型。Zynq SoC是真正“完全可編程” 的器件。您可以編程其處理系統(tǒng)、FPGA芯片甚至I / O口來創(chuàng)建極其靈活的自定義系統(tǒng)。而且，該器件也是完全可重新編程，這樣您可以在設(shè)計過程中的任何階段，甚至將設(shè)備部署到現(xiàn)場之后，也可以修改設(shè)計。

Zynq SoC并不是第一個在硅芯片中將FPGA芯片與處理器相連接的器件。Xilinx的Virtex FPGA采用的是嵌入式PowerPC處理器。如果要對這些器件進(jìn)行編程，就必須對FPGA進(jìn)行編程才能訪問處理器。這意味著如果要使用該器件，您需要掌握各種HDL編程技巧和FPGA知識。但是借助Zynq SoC，Xilinx可確保ARM處理系統(tǒng)控制整個芯片的運行。也就是說，處理系統(tǒng)啟動后可以控制可編程邏輯。您可以在C / C++或SystemC中創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)計并將其編程到Zynq SoC的處理系統(tǒng)中。如果系統(tǒng)某部分的運行速度不如預(yù)期的快，則可以使用一個稱為Vivado HLS的高層次綜合工具將C代碼轉(zhuǎn)換成可以在Zynq SoC的FPGA架構(gòu)上運行的VHDL。這可極大地加快系統(tǒng)的速度。

Xilinx還確保處理系統(tǒng)可在C / C++和SystemC中編程，支持各種應(yīng)用廣泛的操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)環(huán)境。這種廣泛的開放式支持使得像NI公司這樣的公司能夠開發(fā)自己的Zynq SoC編程軟件，甚至實現(xiàn)更高水平的自動化和生產(chǎn)力。

NI通過直觀圖形化系統(tǒng)編程工具LabVIEW軟件幫助用戶更輕松地利用Zynq SoC的特性集。 LabVIEW將Zynq SoC的關(guān)鍵硬件組件和NI模塊化C系列I/ O集成在單一開發(fā)環(huán)境中，讓您使用已掌握的相同圖形化語言對FPGA和雙核CPU進(jìn)行編程。

7系列的所有設(shè)備均統(tǒng)一采用ARM公司的AXI-4總線協(xié)議。這意味著，如果您已經(jīng)創(chuàng)建了用于在基于ARM的系統(tǒng)中執(zhí)行的IP，您就可以很輕松地將該IP從Xilinx轉(zhuǎn)移到Zynq SoC、Kintex-7 FPGA或任何其他7系列設(shè)備。

借助LabVIEW，NI提供了自己的一套專用IP以及統(tǒng)一采用AXI接口的Xilinx CORE Generator IP的訪問，專門用于7系列FPGA，因而提高了IP的互操作性，也使得之后的設(shè)計維護(hù)和改進(jìn)變得更為輕松。

2. Kintex-7：高性能低功耗的最佳組合

Xilinx于1988年發(fā)明了FPGA，并自此開始提供先進(jìn)的FPGA技術(shù)。 Kintex-7產(chǎn)品代表該技術(shù)的巔峰之作，也是目前Xilinx 7系列最暢銷的設(shè)備。該產(chǎn)品系列的與眾不同之處在于它們實現(xiàn)了FPGA架構(gòu)時鐘速率性能、低功耗、高速I / O、容量、安全性和可靠性的完美平衡。

這種高度平衡的特性集合使其非常適合用于各種測試和高性能嵌入式應(yīng)用，如自定義觸發(fā)、硬件定時測試測序、醫(yī)療成像、大型物理控制和監(jiān)測、超帶寬通信和雷達(dá)、信號情報、協(xié)議感知數(shù)字測試、實時視覺算法和軟件定義無線電。

新的Kintex-7 FPGA非常適用于NI FlexRIO產(chǎn)品線。該產(chǎn)品系列具有與上一代高端FPGA相同的容量和性能，但功耗卻降低了一半。功耗的降低使得每個PXI插槽具有比上一代NI FlexRIO高一倍的數(shù)字信號處理能力。而邏輯和DSP資源的增加則可幫助您使用更廣泛的信號處理和實時分析來開發(fā)更復(fù)雜的算法，以滿足當(dāng)今應(yīng)用日益增長的I/ O數(shù)據(jù)傳輸速率和復(fù)雜性。與此同時，Kintex-7 FPGA的高值域 I / O所具有的靈活性使得NI能夠最大限度提高與現(xiàn)有I / O適配器模塊的接口兼容性，使得整個產(chǎn)品系列能夠與各種高性能I / O無縫連接。

為了最大程度利用NI FlexRIO增強(qiáng)的處理能力，F(xiàn)PGA需要植入和移除更多的數(shù)據(jù)。Kintex-7的內(nèi)置PCI Express 第二代控制器采用點對點(P2P)技術(shù)，與主機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸速度或直接向其他選定NI PXI模塊輸入數(shù)據(jù)的速度提高了兩倍。對于臨時存儲，DDR3內(nèi)存控制器則幫助NI實現(xiàn)與NI PXIe-7975R 2 GB板載DRAM之間10 GB/s（理論值）的連接。