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Zynq FPGA入門 2つのチップ内CPU構成法


別チップ派？ハードCPU派?ソフトCPU派?

Zynq FPGAの特徴とCPU構成の選択肢

図1　Zynq FPGAは，Xilinx社が提供するFPGAとCPUを統合したSoC（System on Chip）．CPUとロジックIPの構成方法において3つの選択肢が存在する．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］森岡 澄夫
詳細：【Cora Z7-07S Zynq-7000開発ボード付き】Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作

Zynq FPGAは，Xilinx社が提供するFPGAとCPUを統合したSoC（System on Chip）です．このSoCは，FPGAの柔軟性とCPUの汎用性を兼ね備え，組み込みシステム設計における強力なツールになります．CPUとFPGAの構成方法において次の3つの選択肢が存在します．

  1. 別チップ構成
    CPUをFPGAとは独立したチップとして使用し，外部インターフェースで連結
  2. ハードCPU構成
    FPGA内部に設計されたハードウェアCPU（e.g., ARM Cortex）を利用
  3. ソフトCPU構成: FPGA内のLUT（Look-Up Table）上にソフトウェアでCPUを実装

これらの構成は，性能，柔軟性，リスク，コストの観点からそれぞれにメリットとデメリットがあります．

1．別チップ構成

外部接続を用いるため，データ帯域やレイテンシに制限が生じますが，FPGAとCPUの独立性を保つことで，設計変更やデバイスのアップグレードが容易です．しかし，基板面積や消費電力が大きくなる点がデメリットです．

2．ハードCPU構成

ZynqのようなFPGA-SoCでは，オンチップ・バス（AXIなど）を介してハードCPUとFPGAのプログラマブル・ロジックが密接に連携します．これにより，データ転送効率が向上し，高速かつ低消費電力なシステム設計が可能です．一方で，CPU部分のコア数や種類は固定されるため，将来的な柔軟性が制限されることがあります．

3．ソフトCPU構成

FPGA内のLUTにソフトCPU（例:MicroBlaze）を構築する方法は，FPGAのリソースが許す限り，柔軟にCPUコア数を増やせる利点があります．また，FPGA自体をほかのデバイスに置き換えることで，設計の再利用が容易です．ただし，CPU性能はFPGAの動作周波数やリソースに依存するため，ハードCPUと比べて性能が劣る場合があります．

3．実装のポイント

Zynqを活用する際の設計フローは次のとおりです．〈著：ZEPマガジン〉

  1. プロセッサと周辺回路の設定
    Vivadoを用いて，ハードウェア構成（CPUやGPIOの設定など）を設計
  2. 回路合成とソフトウェア開発
    論理合成後，Vitisなどのツールを使い，必要なソフトウェアを作成
  3. 動作確認と最適化
    開発したハードウェアとソフトウェアを評価ボード上で動作させ，性能を確認

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • NTT，IBM，Sony，NECの各研究所において高性能回路IPやハイレベル・シンセシスの研究，およびプレイステーションなどの製品用SoC開発に従事した後，現職にて民間宇宙ロケットの飛行制御コンピュータの研究開発に従事．FPGAや高位合成を活用している

著書

  1. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編＆実践編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］Xilinx製FPGAで始めるHDL回路設計入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD/KIT］一緒に動かそう！Lチカから始めるFPGA開発【基礎編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］Zynqで初めてのFPGA×Linux I/O搭載カスタムSoC製作，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］Tiny FPGA実習！高校生から始めるHDLプログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD/Pi KIT］カメラ×ラズパイで一緒に！初めての画像処理プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. スパコンでも破れない！高セキュリティ・マイコン・プログラミング，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［YouTube］宇宙軌道ロケット 成功の方程式
  9. ［YouTube］宇宙ロケットの電子回路開発
  10. FPGA/Zynqで作るカスタム・コンピュータ・チップ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. Lチカ入門！ソフトウェア屋のためのHDL事はじめ，ZEPエンジニアリング株式会社．
  12. USBカメラの動画キャプチャ＆描画用 Pythonプログラム，ZEPエンジニアリング株式会社．
  13. ライブラリ完備！組立式ラズパイI/O増設ボード MCC DAQ HATSファミリ誕生，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

  1. ［VOD/KIT］ 実習キットで一緒に作る！オープンソースCPU RISC-V入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ARM Cortex-A9＆FPGA内蔵SoC Zynqで初体験！オリジナル・プロセッサ開発入門，ZEPエンジニアリング株式会社．