无线应用平台选择的几个关键考量因素

无线应用平分选择的几个关键考量因素

随着无线数据传输量呈爆炸性成长，数字讯号处理技术和无线电设备在提

升效能方面都面临巨大的压力。目前全球的重点都聚焦在变LIE，而且在世界

各地均有大规模部署，而业界也已展开5G网络的早期研发工作,目标是要将

5G网络的数据传输量提升至4G网络的千倍以上。这种新兴的技术发展为系统

商带来不断演进的的全新要求，其中包括提升系统整合度和系统效能、降低系

统材料列表(BOM)成本、提高设计灵活度，以及加速产品上市时程等。

传统经运组件支持的假性解决方案虽然尚可符合功耗和成本目标，但其所

需的一次性工程费用(NRE)极高、缺乏灵活性，让产品的上市时程变得非常缓

慢。为了因应市场的全新需求和克服以上种种挑战，赛灵思推出All

ProgrammableSoC(APSoC)架构,并成功建置在Zynq-7000产品系列中。Zynq-

7000组件采用赛灵思APSoC架构，透过硬件、软件和I/O可编程能力全面提升

系统级的差异化、整合度和灵活性(如图一)。

ProcessingSystem1

RK^ContcMr

NORNM&SHAM.QuadSP1(WDOtMIDR?

ARM*Co«SigtK"MdtiCereDtbufandTrace

COTIM，"Cor*x*AJMetorv

32/32KB32/32KBI'DCxMs

512Kbyte12Cache

SROO()2%Kbyte

2x$OIOControlOn-Chip

wittOtU8nitMemory

Ccnfi£urat)MTMMTSDMA

wit1S«ority

H-HMS.RSA

0en«c>lPurposeACPWishP.nofmw

AJQP©mAXIPorts

XAOC

PCfeGee2

2xMC.Mux.ProgrammableLogic

ThermalSaosor(SystemGates,DSP,RAM)1*8lanes

Mu此Hitfr-SpMd18V)

图一Zynq-7000AllProgrammableSoC架构

赛灵思自2011年：2月推出Zynq-7000组件以来，已广泛应用于通讯、数

据中心、汽车、工业、航天与国防等众多领域。对通讯市场(尤其是无线应用领

域)而言，Zynq-7000提供独特的优势：

其整合式可编程逻辑针对数字讯号处理提供高度优化；其采用的ARM

CortexA9处理子系统可有效建置典型无线设备（例如远程无线电和无线回程单

元）的控制功能。

在采用ZynqAPSoC组件设计无线应用时，必须选择能满足应用需求的挑隹

系统。而在针对不同的无线应用时，必须考虑以下几个关键因素：

1.电信级运作能力：电信级系统一般都要达到99.999%系统可靠度，也就

是系统的正常运行时间要达到这么的水平。从系统运作的角度来看，这代表对

系统各项特性的支持，例如冷/暖重开机、故障监测、侦测和处理，以及冗余，

都要达到这程度。

2.实时处理：实时不仅意味着速度要「非常快」，而且要有可预测的反应

时间。相较于无线回程处理，远程无线电有不同的实时处理要求。无线电设备

讯号处理任务繁重，因此支持讯号处理的妲罂必须能满足严格的时序预算要

求。

3.诊断：为了支持现场诊断和事后诊断，需要收集和储存大量效能衡量数

据和日志数据，藉此可追踪和管理无线应用的关键指标，例如效能衡量与统计

数据、鱼&使用率和故障监控、操作系统任务切换和事件历史等指标。

4.工具与协定整合：除错与诊断环境全面整合，以及一些操作系统厂商提

供的特定网络协议堆栈，都有助于设计人员开发有效率的系统和维护高效的系

统运作。

ZynqSoC整合了两颗ARMCortexA9核心。软件设计师需要在可支持这款

ARM核心的SMP（对称多处理架构）或AVP（非对•称多处理架构）多处理器架构之间

做出选择。如图二所示，在SMP系统架构中，两颗以上完全相同的处理器共同

在单一操作系统实例中共享资源。

图二SMP与AMP之比较

理论上，这种架构在同一个操作系统实例中会平等对待所有处理涔。相反

地，在有或没有操作系统实例和处理器互相不知彼此存在的情况下，AMP架构

会对个别处理器有不同的待遇，而没有执行操作系统的核心则可能会执行一个

被视为「裸机」实例的微程序代码。

通常SMP为较高阶的应用提供统一的操作系统平台。软件架构师在操作系

统上建置应用时，无需考虑两颗核心之间共享资源和跨行程的通讯问题。此

外，SMP的效能消耗会对时间要求严格的无线应月造成影响。相较于SMP,AMP

备有操作系统实例的辂量级软件几乎完全没有消舞的问题，但需要精心客制的

软件设计来实现处理器资源共享和处理器之间的通讯。

使用ZynqAPSoC组件可有效建置多种重要的无线应用，其中包括无线电和

无线回程。每种无线应用有不同的效能要求，而且需要操作系统支持不同的特

性。无线电应用就是一个很好的Zynq应用案例，因为透过Zynq可建置包括所

有数字前端处理功能的完整软硬件整合解决方案。

无线电数字前端应用是4G无线网络中典型远程无线电头端设备(RRH)的主

要部分。这种应用的处理要求可分为讯号处理和控制处理。在讯号处理领域，

Zynq可用以建置于高采样率滤波器,可达到数字升/降频变频、波峰因子抑制

(CFR)和数位预失真(DPD)。然而，DPD是一个特例,需要同时使用Zynq的PS

和PLo

DPD处理可细分为高速数据路径和更新路径。更新路径用于定期更新滤波器

组的系数，非常适合用于ARMCortexA9核心。一般来说，系数更新必须在几

亳秒到几十亳秒内完成。由于计算的算术复杂性，可使用A9核心和嵌入式

NEONS/D向量运算单元来因应所需的高效能。此外，ZynqPL也可为各种需要

大量处理器频率周期的功能提供硬件加速，因而ZynqPL、ARMA9核心和NEON

协同处理器可进行协同作业。

无线电的控制处理一般用于初始的无线电校准、配置、警告、排程和从网

络终止讯息。这样的作业一般在无线电应用中并不需要高效能，因此使用Zynq

组件内建的单一ARMA9核心就能轻松管理。选择合适的架构来支持DPD应用和

控制处理应用是非常重要，因为合适的架构会决定整体效能、可靠度和维护的

容易度。

AMP模式是无线电应用的通用架构。在此模式下，可透过裸机模式提供一颗

完整的ARM核心进行DPD处理作业，因而可提供更多运算余量以满足各种DPD

系数更新所需的时间要求。而第二颗由操作系统控制的ARMA9核心则可执行控

制和0AM等所有其应用。

在这种架构中，由于操作系统只能控制两颗ARM核心中的其中一颗，因此

必须在两颗独立的核心之间建立建立处理器之间的通道，例如使用OCM(On

ChipMem迎y)或共享内存。这对某些重要的控制应用尤其重要，例如用于监控

DPD模块状况的应用。这种行程间的通讯(IPC)解决方案并没有标准可循，而是

必须在AMP模式中单独开发。

SMP架构非常简单明确，就是使用单一操作系统实例同时控制两颗ARM核

心，进而控制所有应用。IPC、除错、支持工具链都在相同的操作系统下运作。

为了确保DPD应用有专属的资源，可在软件应用中使用「核心亲和性」(Core

Affinity)和「中断遮蔽」等特殊技术。在前面的案例中，DPD应用只在一个

核心上执行，也就是除了操作系统排程器消耗外，DPD应用不会跟其他作业共

享资源。而在后面的案例中，除了因DPD应用所需的执行作业外，各种中断服

务会直接转由第二颗核心执行。如此一来，DPD应用可充分运用所有资源。

由此可见，ZynqAPSoC是支持AMP或SMP架阂的理想平台°如图二所示，

Zynq整合两颗ARM核心的处理器、12.5Gb/s序列器/解除序列器(SerDes).可

靠度更高的500MHz+/并能提供完整的数字前端功能，诸如DPD、CFR、

DUC/DDC和CPRT/JESD接U等。这个解决方案无需在处理器和独立的FPGA组件

之间设立接口，从而简化PCB设计。

从独立式多芯片解决方案转移到Zynq平台的单芯片整合方案是相当简单明

了的。赛灵思提供全面的软硬件解决方案，其中更包括用于DIGDDC、CFR和

DPD的数字讯号处理IP库，有助多芯片方案顺利转移到Zynq平台。此外，赛

灵思也提供对多种操作系统解决方案的支持，包含组件驱动程序、启动加载程

序、BSP范例和常用的工具。当设计方案成功转移到Zynq平台后，系统效能即

可大幅提升，也可节省整体功耗，并降低材料清单(B0M)成本。

ZYNQ

StandaloneProcessor

DPD

O^M

Update

BB

图三从独立式解决方案转移到ZynQ解决方案

以.匕我们探讨了为无