Xilinx的六位專家在IEEE Micro雜志3/4月刊上聯名發表了一篇15頁的長文深度描述了Xilinx 16nm Zynq UltraScale+ MPSoC相關技術信息。您可以通過在線瀏覽 獲取該文章的電子版全文或繼續閱讀本文了解技術的關鍵內容。

Zynq UltraScale+ MPSoC是Xilinx推出的第二代多處理SoC系統，在第一代Zynq-7000的基礎上做了全面升級。包括先進的multi-domain，multi-island電源管理系統；高密度片上UltraRAM靜態存儲器；單通道速率高達32Gbps的高速收發器；集成100GbE、PCIe Gen4、150Gbps Interlaken等I/O控制器；高性能UltraScale可編程邏輯。和Zynq-7000系列器件相比，加密、安全和電源管理都得到了顯著增強。Zynq UltraScale+ MPSoC系統框圖如下圖1所示。

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圖1 Zynq UltraScale+ MPSoC系統框圖

和第一代Zynq-7000 SoC一樣，Zynq UltraScale+ MPSoC第一級初始化boot也是先從PS啟動，支持RSA簽名和AES認證。在初始化Boot確認整個器件的安全性之后再加載PL（可編程邏輯）配置。用戶可以把Zynq UltraScale+ MPSoC的片上PL看成處理器的外設，可用于應用加速或其它差異化的處理。Zynq UltraScale+ MPSoC的各子系統和PL可以完全關電或進行動態電源管理按需開關。大多數的Zynq UltraScale+ MPSoC PS里面的處理器核均可獨立供電。

Zynq UltraScale+ MPSoC的PS有以下主要特點：

一個四核64位ARM Cortex-A53處理器，帶L1和L2級緩存和ECC功能，可單獨上電和關電；

Cache一致性互聯單元為PS和PL提供雙向Cache一致性保證；

SMMU（系統內存管理）單元用于PS和PL虛擬內存管理；

雙核ARM Cortex-R5F處理器（帶浮點擴展），可運行在鎖步模式或獨立工作模式，包含Cache和帶ECC的存儲，可成對關電；

ARM Mali-400 MP2 GPU用于2D/3D圖形顯示，帶支持一路或兩路4Kp30視頻流的DP接口；

H.265/264視頻編解碼器，10位像素深度下支持4Kp60編解碼；

基于三冗余處理器的配置和電源管理單元；

DDR控制器支持ECC功能的DDR3/4和LPDDR3/4 SDRAM，Zynq UltraScale+ MPSoC的PS和PL共享SDRAM空間；

硬核外設包括：GigE、USB3.0、SATA3.0、SPI、IIC、CAN、UART和Flash控制器（QSPI-NOR、SD、eMMC、ONFI NAND）。

Zynq UltraScale+ MPSoC的PS由兩個處理子系統構成：雙核Cortex-R5F實時處理子系統，包括低功耗域的鎖步RPU（實時處理單元）；應用子系統含一個基于四核、64位 ARM Cortex-A53 處理器的RPU（應用處理單元），工作在全功耗域。Zynq UltraScale+ MPSoC使用一個獨立的功耗域用于PL和電池供電域（安全秘鑰和實時時鐘）。

基于雙核ARM Cortex-R5F處理器的RPU可工作在鎖步和獨立運行模式。鎖步模式用于安全性要求嚴苛的場合，在鎖步模式下，從處理器輸入延時兩拍提供時間分集。兩個AMR Cortex-R5F處理器版圖在物理上不同以提供物理分集，鎖步檢查邏輯也是冗余的。RPU有一個獨立的低延時接口到PL，在全功耗域（包括APU）關電的情況下也可以訪問。RPU可以低延時確定性訪問片上內存來用于安全性要求嚴苛的實時服務。低功耗子系統（LPS）包括RPU支持ASIL-C和SIL3標準。全功耗子系統（FPS）包括APU支持 ASIL-B和SIL2標準。

APU、RPU和PL子系統共享內存，Zynq UltraScale+ MPSoC的SMMU提供內存保護并在Boot時為APU、RPU和PL子系統提供內存分割。片上的DDR控制器提供六個訪問端口供片上多個Master設備共享訪問。DDR控制器提供三種模式的交易：低延時（LL），高吞吐（BE）和實時（RT）。低延時（LL）交易具有最高優先級的仲裁，實時（RT）交易不能超過其延時要求，RT請求帶時間戳和跟蹤功能確保給定延時保證。如果RT交易延時保持在給定要求之下，它被當做高吞吐（BE）交易，當RT時間戳超出延時保證，內存控制器提高RT的優先級到最高級。

多端口的PS-PL互聯支持高達1TB的帶寬，每個Port可支持85Gbps，Port符合AMBA AXI4接口標準，支持128、64或32bit數據位寬訪問。一致性端口符合AMBA ACE Cache一致性協議，提供單向或雙向的Cache一致性保證。

Zynq UltraScale+ MPSoC可以從QSPI、ONFI NAND、SD卡或者eMMC啟動，啟動鏡像和bit文件可以使用4096bit RSA秘鑰簽名（帶384bit SHA-3）。同時還提供片上存儲器用于多重RSA公共秘鑰來支持秘鑰撤回。安全boot支持256bit AES加密，AES秘鑰可以存儲在e-fuse或電池供電備份的RAM中。為了緩和DPAs，解密只在簽名認證成功后進行。啟動鏡像（或bit文件）加密支持key rolling進一步緩和DPAs。篡解檢測機制檢測供電、片上溫度、時鐘頻率和關鍵的內部和外部接口。如果檢測到篡解事件，安全子系統清除并鎖定系統，只能是再次冷啟動才能恢復。