【阿东手把手教你学FPGA】XILINX MPSoC选型指南：3EG/4EV/5EV/7EV/15EG终极PK

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  MPSoC一般指赛灵思的Zynq UltraScale+ MPSoC，它是Xilinx在2015年发布的芯片。这个系列是赛灵思推出的首款真正全可编程异构多核处理 SoC芯片。MPSoC采用16nm工艺，集成四核ARM Cortex-A53应用处理器、双核Cortex-R5F实时处理器，搭配可编程FPGA逻辑资源，支持DDR4/LPDDR4等内存及高速收发器。
  MPSoC系列自推出以来，广泛应用于工业控制、汽车电子、医疗设备等领域，能高效处理复杂软件任务与高速并行硬件工作，平衡性能与功耗，为各类场景提供强大支持。
  MPSoC系列中，XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV和XCZU15EG是使用较多的型号，它们在性能、资源规模和适用场景上存在显著差异。接下来我们从工艺制程、处理器架构、逻辑资源、信号处理能力、存储资源、高速接口以及成本功耗等方面进行对比分析。
  需要注意的是，不同速率等级的MPSoC芯片，特性会有一些差异，此处我们均采用-2的速度等级进行对比分析。  
工艺制程
  MPSoC系列全系采用16nm FinFET+工艺制程，这一先进工艺带来了更高的晶体管密度，能在相同芯片面积内集成更多处理器核心、FPGA 逻辑资源及高速接口模块，同时有效降低功耗，提升芯片的能效比，为其在工业控制、智能驾驶、通信等对性能和功耗均有严格要求的领域提供了硬件基础。
处理器架构
  XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV和XCZU15EG这几款MPSoC器件，其CPU核心架构均为统一的异构多核设计，集成有APU、RPU和GPU三类处理单元。具体描述如下：
应用处理器(APU)：上述型号均集成了四核ARM Cortex-A53处理器。该处理器基于ARMv8架构，支持32/64位指令集，主打高性能通用计算，可运行Linux、FreeRTOS等操作系统，因此其主要职责是处理复杂应用层任务，例如多任务管理、人机交互及网络通信。
实时处理器(RPU)：上述型号均集成了双核ARM Cortex-R5F实时处理单元（RPU）。它基于ARMv7-R架构，支持锁步模式以提升安全性，专注于低延迟实时控制，适用于工业控制、运动控制等对响应时间有严苛要求的场景，并可独立运行或与APU协同工作。
图形处理器(GPU)：上述型号均集成了Mali-400 MP2 GPU，该单元提供2D/3D图形加速能力，主要用于承担显示渲染任务。
视频编解码引擎(VCU)：此外，MPSoC芯片的EV系列的PL端集成了VCU（Video Codec Unit），支持H.264/H.265视频编解码，而EG系列没有集成VCU。

  MPSoC的处理器系统（PS）具备丰富的外设资源，全面覆盖高速通信与低速控制需求。
高速接口方面：
（1）包含1个PCIe Gen2控制器(x1 lane)，支持端点模式，可连接高速外设实现数据快速传输；
（2）1个千兆以太网控制器，支持RGMII和SGMII接口，满足工业级网络通信需求。
（3）配备1个USB2.0 OTG控制器，支持主机/设备模式切换，可作为USB主机或设备连接外部存储、键鼠等人机交互设备。
（4）1个SD/eMMC控制器，支持SD3.0 和eMMC4.51标准，可外接存储卡扩展存储。
低速控制接口方面：
（5）包括2个SPI控制器、4个IIC控制器与2个UART控制器，便于连接传感器和EEPROM等外设；
（6）2个CAN FD控制器，符合ISO 11898标准，适配车载与工业控制场景。
  此外，还有64个多功能GPIO(可配置中断)、2个Triple Timer Counter定时器、1个看门狗定时器，以及加密引擎(AES、SHA)和TRNG真随机数发生器，为嵌入式系统提供全面的外设支持与安全保障。

逻辑资源对比
  FPGA的逻辑单元数量直接关乎其可编程逻辑的处理能力，下表是我们推荐的几款MPSoC芯片的逻辑资源对比：

  可以看出，XCZU15EG的逻辑单元高达747K个，适合应用在复杂逻辑处理的场景。
信号处理能力
  在信号处理领域，DSP（数字信号处理器）的数量是衡量芯片处理能力的核心指标。为此，我们对推荐的几款MPSoC芯片的DSP资源进行了对比，如下表所示：

  由上表可知，XCZU15EG的DSP单元数量高达3528个，在信号处理方面具有显著优势，尤为适合雷达、通信等复杂应用场景。
存储资源
  存储资源对数据的缓存与处理性能至关重要。下表对比了推荐的几款MPSoC芯片的存储资源。

  上表统计了推荐型号的整体存储资源。为进一步分析其片上存储能力，下面将专门对比BRAM与URAM的配置，具体数据如下表所示：

  URAM通常仅在中高端型号(如XCZU7EV、XCZU15EG)中集成，而入门级型号(如XCZU3EG)仅提供BRAM。
高速接口能力
高速收发器：

注意：SFVC784封装的GTH高速接口速率只支持12.5 Gbps。   
  XCZU3EG PL侧没有高速收发器GT接口，需要高速GT接口的可以选择XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV和XCZU15EG，需要注意的是XCZU15EG不支持PCIe硬核。
DDR接口：
  MPSoC PS侧的DDR特性如下：

  MPSoC PL侧的DDR特性如下：

成本
  受到市场供需的影响，XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV和XCZU15EG的价格都不是固定的，正常情况下，XCZU3EG的批量价格在600-800元之间，XCZU4EV的批量价格在1000-1500元之间，XCZU5EV的批量价格在1500-2000元之间，XCZU15EG的批量价格在2000-2500元之间，在价格上MPSoC芯片相对ZYNQ芯片偏贵。
功耗
  成本和功耗是产品设计中不可忽视的因素，推荐的几款MPSoC典型情况下的功耗表现如下：

  无论MPSoC的哪款芯片，根据我们实际使用的经验，都需要配置风扇进行主动散热。
综合对比表格
  为了更直观地对比XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV和XCZU15EG的各项特性，我们使用表格形式呈现：

  综上所述，MPSoC ZU3EG凭借其较低成本、低功耗以及在中低端逻辑和信号处理方面的能力，适用于对成本敏感、性能要求相对不高的系统，比如激光雷达和无人机飞控。MPSoC ZU4EV/5EV/7EV以其强大的逻辑资源、视频处理能力、丰富的存储资源和高速接口，适用于医疗设备、智能驾驶、高端工业控制、边缘AI加速等中高端场景。ZU15EG以其强大的逻辑资源、信号处理能力、丰富的存储资源和高速接口，适用于高端医疗设备、智能机器视觉系统、大模型加速等中高端场景。
  在实际选型过程中，大家需要综合考虑项目的性能要求、功耗限制、成本预算等因素，权衡利弊，做出最适合项目需求的决策。
  正点原子在XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV、XCZU15EG都有开发对应的FPGA开发板，欢迎大家选购。

XCZU3EG/XCZU4EV/XCZU5EV：
https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=2&id=753441508614


XCZU7EV：
https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=7&id=848893277520


XCZU15EG：
https://detail.tmall.com/item.htm?abbucket=7&id=850321828467

  
  下面我们对这XCZU3EG、XCZU4EV、XCZU5EV、XCZU7EV、XCZU15EG开发板进行对比：

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