作者：Xilinx通信事業部高級經理 顧原

隨著無線數據吞吐量的爆炸式增長，數字信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，并加速產品上市進程等。

傳統ASIC器件支持的硬件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。為了滿足這些要求并應對這些挑戰，賽靈思向行業推出了All Programmable SoC（APSoC）架構，并將其成功實現在Zynq-7000產品系列中。

Zynq-7000器件采用賽靈思APSoC架構并通過硬件、軟件和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，已廣泛應用于通信、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）專門針對數字信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

在構建基于Zynq APSoC器件的無線應用時，必須選擇能滿足應用需求的操作系統。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么高。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、檢測和處理以及冗余。

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，用于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后診斷，需要采集和存儲大量性能測量數據和日志數據。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，有助于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。軟件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。

一般來說，SMP為較高級應用提供統一的OS平臺。軟件架構師在OS之上構建應用時，無需考慮兩個內核之間的資源共享和進程間通信。此外，對SMP而言存在性能開銷，這會給時間要求嚴格的無線應用的性能造成不利影響。比較SMP和AMP，AMP在運行OS實例的情況下軟件較簡化，基本甚至完全沒有開銷問題，但需要精心定制的軟件設計來實現處理器資源共享和處理器間通信。

圖2：SMP與AMP比較

使用Zynq APSoC器件可非常高效率地實現多種關鍵的無線應用，其中包括射頻和無線回程。每種無線應用有不同的性能要求，需要OS支持不同的特性。就Zynq用于實現涵蓋全部數字前端和處理功能的全集成軟硬件解決方案而言，射頻應用就是一個很好的案例。

射頻數字前端應用是4G網絡典型遠端射頻單元（RRH）的一個主要組成部分。該應用的處理要求可劃分為信號處理和控制處理。在信號處理領域，Zynq可用于實現用于數字上變頻/下變頻的高采樣率濾波器、峰值因數抑制（CFR）和數字預失真（DPD）。DPD是個特例，它需要同時使用Zynq的PS和PL。

DPD處理可細分為高速數據路徑和更新路徑。更新路徑用于定期更新濾波器組的系數，且非常適合于實現在ARM Cortex A9內核中。一般來說系數更新必須在幾毫秒到幾十毫秒內完成。鑒于計算的算術復雜性，可綜合使用A9內核和嵌入式NEON SIMD向量計算單元來滿足所需的高性能。此外，Zynq PL還支持為處理器時鐘周期占用大的功能提供硬件加速，這樣就可以協作使用Zynq PL、ARM A9內核和NEON協處理器。

無線電的控制處理側一般用于初始無線電校準、配置、告警、調度和網絡消息下傳。這在無線電應用中一般不要求高性能，因此使用Zynq中的一個ARM A9內核就能夠輕松管理。

為支持DPD應用和控制處理應用選擇合適的架構非常重要，因為它決定著總體性能、可靠性和維護的簡便性。

為無線射頻應用選擇的通用架構是AMP模式。在這種模式下，一個完整的ARM內核以裸機方式運行，專門用于DPD處理，為滿足更新DPD系數的時間要求提供更大計算裕量。控制和OAM等其他應用運行在OS控制的第二個ARM A9核上。在這種架構中，由于OS只控制兩個ARM內核中的一個，必須在運行于兩個分離的內核上的應用之間建立處理器間通道，比如使用OCM（片上存儲器）或共享存儲器。這樣做法對某些關鍵的控制應用非常重要，比如用于監控DPD模塊健康狀況的應用。這樣進程間通信（IPC）解決方案是非標的，必須在AMP模式中單獨開發。

SMP架構非常簡單直觀，使用單個OS實例同時控制兩個ARM內核和，進而控制全部應用。IPC、調試、支持工具鏈都在同一OS下。為確保資源專門用于DPD應用，可在軟件應用中使用“內核親和（Core Affinity）”和“中斷屏蔽”等專門技巧。在前一個案例中，DPD應用將只在一個內核上運行，也就是沒有其他任務共享資源（除去OS調度器開銷）。在后一個案例中，中斷服務（除DPD應用觸發的）被轉到第二個內核上運行。這樣資源就被DPD應用完全利用。

因此Zynq APSoC是支持AMP或SMP架構的理想平臺。如圖3所示，Zynq集成有雙內核ARM處理器、12.5Gb/s 串行收發器（SerDes）、可靠性更高的500MHz+ DSP，并能提供完整的數字前端功能，諸如DPD、CFR、DUC/DDC和CPRI/JESD接口。該解決方案無需在處理器和單獨FPGA之間提供接口，從而簡化PCB設計。

從分立式多芯片解決方案移植到Zynq平臺上的單芯片集成解決方案非常簡單直觀。賽靈思提供綜合而全面的軟硬件解決方案，有助于順利移植到Zynq上。這其中包括用于DUC、DDC、CFR和DPD的數字信號處理IP庫。此外，還支持多種OS解決方案，包括設備驅動程序、引導載入程序、BSP模板和常用工具。在成功移植到Zynq平臺后，該解決方案能夠顯著地增強系統性能，節省總功耗，并降低材料清單（BOM）成本。

圖3：從分立式解決方案移植到Zynq解決方案

在本文中，我們探討了為無線應用選擇操作系統應考慮的主要因素，無線應用的實現架構及其考慮因素（AMP與SMP對比）以及上述在賽靈思Zynq 7000器件上的直接應用。總之，賽靈思提供的這類先進器件能夠幫助無線網絡基礎架構設計人員在實現軟硬件完全可編程性的同時，改善性能，提高系統集成度，降低材料清單（BOM）總成本與系統總功耗，實現高可靠性并加速產品上市進程。設計人員現在不僅能更快開發設備，而且還能在設備部署完成很久之后繼續提供現場更新，從而避免與ASSP和ASIC等器件有關的風險。

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