新的NI cRIO-9068可重配置機箱和NI PXIe-7975R NI FlexRIO FPGA模塊采用的是Xilinx 7系列完全可編程FPGA和SoC設備。如果要深入理解NI新的可重配置I/ O(RIO)技術，需先了解Xilinx 7系列設備和NI cRIO-9068控制器中的創新之處。

FPGA的供應商通常是率先使用新硅工藝開發設備的先驅者。在FPGA剛問世之時，FPGA供應商可以利用摩爾定律，在使FPGA具有比前一代設備高出一倍容量的同時提高系統性能和降低功耗。 FPGA一開始用作為補充專用集成電路(ASIC)功能的膠合邏輯器件，現在在設計中已逐漸取代ASIC和專用標準產品(ASSP)。在過去10年中，Xilinx采用了最新的工藝和優化的FPGA架構，其器件集成了更為先進的系統功能（如微處理器內核、數字信號處理(DSP)片、RAM、用于PCI Express和USB的外設控制器、高速I / O）和FPGA周邊，系統價值遠高于傳統邏輯器件，同時也將系統的可編程性推向了一個新的高度，這是ASIC和ASSP所無法實現的。

2008年，Xilinx開始計劃開發7系列器件。公司各部門團結協作，擴展了“可編程”的定義，在28nm節點上不僅提供了工業最先進的FPGA，而且還開發了改變編程規則的完全可編程SoC和3D IC系列產品。NI在幫助定義Xilinx 7系列器件的要求上也發揮了關鍵作用。

Xilinx 7系列的一個主要區別在于Xilinx選擇28nm節點的硅工藝技術。Xilinx并沒有選擇***積體電路公司(TSMC)針對PC上的顯卡芯片量身定制的28nm高性能工藝或針對移動電話ASSP的28nm低功耗工藝，而是與TSMC合作開發專門針對FPGA要求的工藝。這一新工藝稱為TSMC 28nm HPL（高性能低功耗）工藝技術，為Xilinx FPGA的所有市場提供最佳的性能和功耗組合。這實質上意味著需要以高性能運行的設計的功耗，而成本并不會非常高。相反，如果滿足了嚴格的功耗要求，該設計仍可實現相對較高的性能目標。

由于整個7系列產品組合均采用相同的28nm HPL硅工藝，Xilinx可以更專心地在架構方面進行創新。Xilinx在7系列中引進了所有類型的FPGA，包括低端的Artix-7完全可編程FPGA系列、中端的Kintex-7 完全可編程 FPGA系列以及高端的Virtex-7完全可編程系列。

除了開發全系列的完全可編程FPGA，該公司還成功開發了兩款全新的器件：Zynq-7000完全可編程SoC和Virtex-73D IC。這兩項發明榮獲來自全球多個行業刊物和行業協會授予的創新獎。

NI革命性的RIO產品系列——NI cRIO-9068和NI PXIe-7975R分別采用Zynq-7000完全可編程SoC和Kintex-7完全可編程FPGA。

1. Zynq-7000完全可編程SoC

圖 1. Zynq-7000完全可編程SoC在單個芯片中集成了雙核ARM Cortex-A9處理系統、28nm FPGA芯片以及關鍵外設。

Zynq-7000 SoC這一器件屢獲多項大獎。它是第一款在單一芯片上結合了雙核ARM Cortex-A9處理系統、FPGA芯片和關鍵設備（圖1）的設備。Zynq SoC硅芯片中有超過10,000通路將ARM Cortex-A9處理系統連接至FPGA芯片，使得器件的處理邏輯和可編程邏輯具有連通性，對于通過印刷電路板將獨立的基于ARM處理器的ASSP與FPGA相連接的系統來說，這是無法實現的。

該集成是cRIO-9068的主要價值所在，因為增強的互連功能實現了處理器和可編程邏輯之間的16個并行DMA通道和超過300 MB/ s功能帶寬，這可顯著提升控制器的性能。高DMA通道數還簡化了應用程序的開發，因為每個單獨的數據流均可以使用一個專用通道，而不需要構建邏輯單元和處理器周期，否則會占用多個通道以及軟件的多速率交叉和分選機制。

Zynq SoC的另一個創新之處在于獨特的編程模型。Zynq SoC是真正“完全可編程” 的器件。您可以編程其處理系統、FPGA芯片甚至I / O口來創建極其靈活的自定義系統。而且，該器件也是完全可重新編程，這樣您可以在設計過程中的任何階段，甚至將設備部署到現場之后，也可以修改設計。

Zynq SoC并不是第一個在硅芯片中將FPGA芯片與處理器相連接的器件。Xilinx的Virtex FPGA采用的是嵌入式PowerPC處理器。如果要對這些器件進行編程，就必須對FPGA進行編程才能訪問處理器。這意味著如果要使用該器件，您需要掌握各種HDL編程技巧和FPGA知識。但是借助Zynq SoC，Xilinx可確保ARM處理系統控制整個芯片的運行。也就是說，處理系統啟動后可以控制可編程邏輯。您可以在C / C++或SystemC中創建系統設計并將其編程到Zynq SoC的處理系統中。如果系統某部分的運行速度不如預期的快，則可以使用一個稱為Vivado HLS的高層次綜合工具將C代碼轉換成可以在Zynq SoC的FPGA架構上運行的VHDL。這可極大地加快系統的速度。

Xilinx還確保處理系統可在C / C++和SystemC中編程，支持各種應用廣泛的操作系統、實時操作系統和軟件開發環境。這種廣泛的開放式支持使得像NI公司這樣的公司能夠開發自己的Zynq SoC編程軟件，甚至實現更高水平的自動化和生產力。

NI通過直觀圖形化系統編程工具LabVIEW軟件幫助用戶更輕松地利用Zynq SoC的特性集。 LabVIEW將Zynq SoC的關鍵硬件組件和NI模塊化C系列I/ O集成在單一開發環境中，讓您使用已掌握的相同圖形化語言對FPGA和雙核CPU進行編程。

7系列的所有設備均統一采用ARM公司的AXI-4總線協議。這意味著，如果您已經創建了用于在基于ARM的系統中執行的IP，您就可以很輕松地將該IP從Xilinx轉移到Zynq SoC、Kintex-7 FPGA或任何其他7系列設備。

借助LabVIEW，NI提供了自己的一套專用IP以及統一采用AXI接口的Xilinx CORE Generator IP的訪問，專門用于7系列FPGA，因而提高了IP的互操作性，也使得之后的設計維護和改進變得更為輕松。

2. Kintex-7：高性能低功耗的最佳組合

Xilinx于1988年發明了FPGA，并自此開始提供先進的FPGA技術。 Kintex-7產品代表該技術的巔峰之作，也是目前Xilinx 7系列最暢銷的設備。該產品系列的與眾不同之處在于它們實現了FPGA架構時鐘速率性能、低功耗、高速I / O、容量、安全性和可靠性的完美平衡。

這種高度平衡的特性集合使其非常適合用于各種測試和高性能嵌入式應用，如自定義觸發、硬件定時測試測序、醫療成像、大型物理控制和監測、超帶寬通信和雷達、信號情報、協議感知數字測試、實時視覺算法和軟件定義無線電。

新的Kintex-7 FPGA非常適用于NI FlexRIO產品線。該產品系列具有與上一代高端FPGA相同的容量和性能，但功耗卻降低了一半。功耗的降低使得每個PXI插槽具有比上一代NI FlexRIO高一倍的數字信號處理能力。而邏輯和DSP資源的增加則可幫助您使用更廣泛的信號處理和實時分析來開發更復雜的算法，以滿足當今應用日益增長的I/ O數據傳輸速率和復雜性。與此同時，Kintex-7 FPGA的高值域 I / O所具有的靈活性使得NI能夠最大限度提高與現有I / O適配器模塊的接口兼容性，使得整個產品系列能夠與各種高性能I / O無縫連接。

為了最大程度利用NI FlexRIO增強的處理能力，FPGA需要植入和移除更多的數據。Kintex-7的內置PCI Express 第二代控制器采用點對點(P2P)技術，與主機控制器之間的數據傳輸速度或直接向其他選定NI PXI模塊輸入數據的速度提高了兩倍。對于臨時存儲，DDR3內存控制器則幫助NI實現與NI PXIe-7975R 2 GB板載DRAM之間10 GB/s（理論值）的連接。