无线应用：Zynq All Programmable SoC的OS选择考虑因素

作者：Xilinx通信事业部高级经理 顾原

随着无线数据吞吐量的爆炸式增长，数字信号处理技术和无线电设备在改进方面面临着巨大压力。目前的重点放在4G LTE。4G网络正在世界各地大规模部署。而且现在我们看到5G网络的早期研发工作也已经展开，其目标是在4G网络的基础上将数据容量再提升上千倍。这种新兴的技术发展给系统厂商提出了不断发展变化的新要求——他们必须提升系统集成度和系统性能，降低系统材料清单（BOM）成本，提高设计灵活性，并加速产品上市进程等。

传统ASIC器件支持的硬件解决方案虽然可以实现功耗和成本目标，但偶生工程成本（NRE）极高、灵活性差且产品上市进程非常缓慢。为了满足这些要求并应对这些挑战，赛灵思向行业推出了All Programmable SoC（APSoC）架构，并将其成功实现在Zynq-7000产品系列中。

Zynq-7000器件采用赛灵思APSoC架构并通过硬件、软件和I/O可重编程功能可实现更大的系统级差异化、更高的集成度和灵活性（图1）。Zynq-7000器件自2011年12月推出以来，已广泛应用于通信、数据中心、汽车、工业、航空航天与国防等众多市场领域。对通信市场（尤其是无线应用领域）而言，Zynq-7000带来了独特的优势：其集成式可编程逻辑（PL）专门针对数字信号处理进行了精心优化；其ARM Cortex A9处理子系统（PS）能够高效实现典型无线设备（例如远端射频单元和无线回程单元）的控制功能。


                  
图1：Zynq-7000 All Programmable SoC架构

在构建基于Zynq APSoC器件的无线应用时，必须选择能满足应用需求的操作系统。为此，针对不同的无线应用，需要考虑几个关键因素：

1.    电信级运营能力：对电信级系统，一般要求系统可靠性达到99.999%。单元在正常工作时间可靠性必须达到这么高。从运营的角度讲，它代表对系统各项特性的支持，比如冷/热启动、故障监测、检测和处理以及冗余。

2.     实时处理：实时意味着可预测的响应时间，而不仅仅是“非常快”。远端射频单元与无线回程处理相比有不同的实时要求。无线电设备信号处理任务重，用于支持信号处理的处理器必须满足严格的时序预算要求。

3.    诊断：为支持现场诊断和事后诊断，需要采集和存储大量性能测量数据和日志数据。因此应具备跟踪和管理对无线应用具有重要意义的部分关键指标的能力，比如性能衡量与统计指标、CPU利用率和故障监控指标、OS任务切换指标和事件历史指标等。

4.    工具和协议集成：调试与诊断环境全面集成，加上部分OS厂商提供的一些特定的网络协议栈，有助于设计人员开发和维护有效的系统。

Zynq SoC集成有两个ARM Cortex A9内核。软件架构师需要在目前支持的两种多处理器架构之间做出选择：SMP（对称多处理）或AMP（非对称多处理）。如图2所示，在SMP系统架构中，两个或更多完全相同的处理器共享资源，运行一个OS实例。理论上，这种架构在同一OS实例下将平等对待所有处理器。与相反之，AMP架构会区别对待每个处理器，不管是否有OS实例，处理器之间也彼此隔离。没有运行OS的内核可能在运行一段被视为“裸机”实例的微代码。

一般来说，SMP为较高级应用提供统一的OS平台。软件架构师在OS之上构建应用时，无需考虑两个内核之间的资源共享和进程间通信。此外，对SMP而言存在性能开销，这会给时间要求严格的无线应用的性能造成不利影响。比较SMP和AMP，AMP在运行OS实例的情况下软件较简化，基本甚至完全没有开销问题，但需要精心定制的软件设计来实现处理器资源共享和处理器间通信。
                     

图2：SMP与AMP比较

使用Zynq APSoC器件可非常高效率地实现多种关键的无线应用，其中包括射频和无线回程。每种无线应用有不同的性能要求，需要OS支持不同的特性。就Zynq用于实现涵盖全部数字前端和处理功能的全集成软硬件解决方案而言，射频应用就是一个很好的案例。

射频数字前端应用是4G网络典型远端射频单元（RRH）的一个主要组成部分。该应用的处理要求可划分为信号处理和控制处理。在信号处理领域，Zynq可用于实现用于数字上变频/下变频的高采样率滤波器、峰值因数抑制（CFR）和数字预失真（DPD）。DPD是个特例，它需要同时使用Zynq的PS和PL。

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，且非常适合于实现在ARM Cortex A9内核中。一般来说系数更新必须在几毫秒到几十毫秒内完成。鉴于计算的算术复杂性，可综合使用A9内核和嵌入式NEON SIMD向量计算单元来满足所需的高性能。此外，Zynq PL还支持为处理器时钟周期占用大的功能提供硬件加速，这样就可以协作使用Zynq PL、ARM A9内核和NEON协处理器。

无线电的控制处理侧一般用于初始无线电校准、配置、告警、调度和网络消息下传。这在无线电应用中一般不要求高性能，因此使用Zynq中的一个ARM A9内核就能够轻松管理。

为支持DPD应用和控制处理应用选择合适的架构非常重要，因为它决定着总体性能、可靠性和维护的简便性。

为无线射频应用选择的通用架构是AMP模式。在这种模式下，一个完整的ARM内核以裸机方式运行，专门用于DPD处理，为满足更新DPD系数的时间要求提供更大计算裕量。控制和OAM等其他应用运行在OS控制的第二个ARM A9核上。在这种架构中，由于OS只控制两个ARM内核中的一个，必须在运行于两个分离的内核上的应用之间建立处理器间通道，比如使用OCM（片上存储器）或共享存储器。这样做法对某些关键的控制应用非常重要，比如用于监控DPD模块健康状况的应用。这样进程间通信（IPC）解决方案是非标的，必须在AMP模式中单独开发。

SMP架构非常简单直观，使用单个OS实例同时控制两个ARM内核和，进而控制全部应用。IPC、调试、支持工具链都在同一OS下。为确保资源专门用于DPD应用，可在软件应用中使用“内核亲和（Core Affinity）”和“中断屏蔽”等专门技巧。在前一个案例中，DPD应用将只在一个内核上运行，也就是没有其他任务共享资源（除去OS调度器开销）。在后一个案例中，中断服务（除DPD应用触发的）被转到第二个内核上运行。这样资源就被DPD应用完全利用。

因此Zynq APSoC是支持AMP或SMP架构的理想平台。如图3所示，Zynq集成有双内核ARM处理器、12.5Gb/s 串行收发器（SerDes）、可靠性更高的500MHz+ DSP，并能提供完整的数字前端功能，诸如DPD、CFR、DUC/DDC和CPRI/JESD接口。该解决方案无需在处理器和单独FPGA之间提供接口，从而简化PCB设计。

从分立式多芯片解决方案移植到Zynq平台上的单芯片集成解决方案非常简单直观。赛灵思提供综合而全面的软硬件解决方案，有助于顺利移植到Zynq上。这其中包括用于DUC、DDC、CFR和DPD的数字信号处理IP库。此外，还支持多种OS解决方案，包括设备驱动程序、引导载入程序、BSP模板和常用工具。在成功移植到Zynq平台后，该解决方案能够显著地增强系统性能，节省总功耗，并降低材料清单（BOM）成本。
                              

图3：从分立式解决方案移植到Zynq解决方案

在本文中，我们探讨了为无线应用选择操作系统应考虑的主要因素，无线应用的实现架构及其考虑因素（AMP与SMP对比）以及上述在赛灵思Zynq 7000器件上的直接应用。总之，赛灵思提供的这类先进器件能够帮助无线网络基础架构设计人员在实现软硬件完全可编程性的同时，改善性能，提高系统集成度，降低材料清单（BOM）总成本与系统总功耗，实现高可靠性并加速产品上市进程。设计人员现在不仅能更快开发设备，而且还能在设备部署完成很久之后继续提供现场更新，从而避免与ASSP和ASIC等器件有关的风险。