采用串行RapidIO連接功能增強DSP協(xié)處理能力

目前，對高速通信與超快計算的需求正與日俱增。有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信標準的應用隨處可見(jiàn)，數據處理架構每天都在擴展。較為普遍的有線(xiàn)通信方式是以太網(wǎng)(LAN、WAN和MAN網(wǎng)絡(luò ))。手機通信是最為常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信方式，由應用了DSP的架構實(shí)現。電話(huà)作為語(yǔ)音連接的主要工具，目前正在不斷滿(mǎn)足日益增強的語(yǔ)音、視頻和數據要求。

系統設計人員在創(chuàng )建架構時(shí)不僅需考慮三網(wǎng)合一模式這一高端需求，還需滿(mǎn)足以下要求：高性能、低延遲、較低的系統成本(包括NRE)、可擴展、可延伸架構、集成現成(OTS)組件、分布式處理、支持多種標準和協(xié)議。

這些挑戰涉及到兩個(gè)主要方面：有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)架構中計算平臺/箱間的連接以及這些平臺/箱中的具體計算資源。

計算平臺間的連接

基于標準的連接目前較為普遍。并行連接標準(PCI、PCI-X、EMIF)可以滿(mǎn)足現在的需求，但在擴展性和延伸性方面略顯不足。隨著(zhù)基于包處理方式的出現，使用趨勢明顯偏向高速串行連接(圖1)。

臺式電腦和網(wǎng)絡(luò )工業(yè)已采用了PCI Express(PCIe)和千兆位以太網(wǎng)/XAUI等標準。不過(guò)，無(wú)線(xiàn)架構中數據處理系統的互連要求略有不同：低引腳數、背板芯片對芯片連接、帶寬和速度可擴展、DMA和信息傳輸、支持復雜的可擴展拓撲、多點(diǎn)傳輸、高可靠性、絕對時(shí)刻同步、服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

串行RapidIO(SRIO)協(xié)議標準可輕易滿(mǎn)足并超過(guò)大多數上述要求。因此，SRIO成了無(wú)線(xiàn)架構設備中數據平面連接的主要互連。

SRIO網(wǎng)絡(luò )圍繞兩個(gè)基本模塊構建而成：端點(diǎn)和交換機(圖2)。端點(diǎn)對包進(jìn)行源端(source)和宿端(sink)處理，而交換機在端口間傳送包，對其不加解析。SRIO以一個(gè)三層架構層級指定(圖3)：

1. 物理層規范說(shuō)明器件級接口的細節，如包傳輸機制、流量控制、電氣參數及低級錯誤管理。

2. 傳輸層規范為包在端點(diǎn)間移動(dòng)提供必需布線(xiàn)信息。交換機通過(guò)使用基于器件的布線(xiàn)在傳輸層中運行。

3. 邏輯層規范定義總體協(xié)議和包格式。所有包的有效載荷字節數為256或更少。事務(wù)使用指向34-/50-/66位地址空間的加載/存儲/DMA操作。事務(wù)包括：NREAD-讀操作(返回數據即為響應)、NWRITE-寫(xiě)操作，無(wú)響應、NWRITE_R-強韌型寫(xiě)入，響應來(lái)自目標端點(diǎn)、SWRITE-流式寫(xiě)入、ATOMIC-原子性讀/改/寫(xiě)、MAINTENANCE-系統查找、探測、初始化、配置和維護操作。

SRIO-優(yōu)勢前景

以3.125Gbps運行的4通道SRIO鏈路可以提供10Gbps的流量，且保證數據完整性。由于SRIO類(lèi)似于微處理器總線(xiàn)(存儲器和器件尋址，而非LAN協(xié)議的軟件管理)，因此包處理是通過(guò)硬件實(shí)現的。這意味著(zhù)可大幅削減I/O處理方面的額外開(kāi)銷(xiāo)，降低延遲并增加系統帶寬。但與多數總線(xiàn)接口不同，SRIO接口的引腳數較少，帶寬在鏈路為3.125Gbps的基礎上可繼續擴展。

平臺中的計算資源

如今的應用對處理資源的數量要求較高?；谟布膽冒l(fā)展迅猛。壓縮/解壓縮算法、反病毒和入侵監測等防火墻應用以及要求AES、三倍DES和Skipjack等加密引擎的安全應用起初都是通過(guò)軟件實(shí)現的，但目前都已轉為硬件實(shí)現。這就需要帶寬和處理能力能夠實(shí)現共享的大型并行生態(tài)系統。系統需要使用CPU、NPU、FPGA或ASIC，從而實(shí)現共享或分布式處理。

在構建能夠適應未來(lái)發(fā)展變化的系統時(shí)，需考慮所有這些針對具體應用的要求，對計算資源的要求包括：
1. 多個(gè)主機-分布式處理；
2. 直接點(diǎn)對點(diǎn)通信；
3. 多個(gè)異構操作系統；
4. 復雜拓撲結構；
5. 發(fā)現機制；
6. 多余通路(故障恢復)；
7. 可支持高可靠性；
8. 無(wú)損協(xié)議；
9. 自動(dòng)重新培訓和器件同步；
10. 系統級錯誤管理；
11. 能夠支持通信數據平面；
12. 多點(diǎn)傳輸；
13. 流量管理(有損)操作；
14. 鏈路、級別和基于流的流量控制；
15. 協(xié)議互通；
16. 較高事務(wù)并發(fā)度；
17. 模塊化、可擴展；
18. 支持廣泛生態(tài)系統。

由無(wú)線(xiàn)架構中計算器件所派生出的各種各樣的要求，SRIO協(xié)議都可支持。

SRIO規范(圖4)對基于包的分層架構進(jìn)行了定義，可支持多個(gè)域或市場(chǎng)區間，從而有利于系統架構設計師設計新一代計算平臺。通過(guò)將SRIO用作計算互連，可輕松實(shí)現以下功能：使架構獨立；部署可靠性為運營(yíng)商級的可擴展系統；實(shí)現高級流量管理；提供高性能、高流量。此外，由大批供應商構成的生態(tài)群使得OTS部件與組件的選擇十分容易。

RIO為基于包的協(xié)議，該協(xié)議支持：
1. 通過(guò)基于包的操作(讀、寫(xiě)、消息)移動(dòng)數據；
2. I/O非連貫功能和緩存連貫功能；
3. 通過(guò)支持數據流、數據分區和重組功能而實(shí)現高效互通和協(xié)議封裝；
4. 通過(guò)啟用數百萬(wàn)個(gè)流而實(shí)現流量管理框架，支持256流量級別和有損操作；
5.流控制，支持多個(gè)事務(wù)請求流，提供QoS；
6. 支持優(yōu)先級別，從而可緩解帶寬分配和事務(wù)順序等問(wèn)題，并避免死鎖；
7. 支持拓撲，通過(guò)系統發(fā)現、配置和維護支持標準(樹(shù)狀和網(wǎng)格)與任意硬件(菊花鏈)拓撲，包括支持多個(gè)主機；
8. 錯誤管理和分類(lèi)(可恢復、提醒和致命性)。

Xilinx針對SRIO的IP解決方案

用于SRIO的Xilinx端點(diǎn)IP解決方案針對RapidIO規范(v1.3)而設計。用于SRIO的完整Xilinx端點(diǎn)IP解決方案包括以下部分(圖5)：

1. 用于SRIO的Xilinx端點(diǎn)IP為軟性L(fǎng)ogiCORE解決方案。對于通過(guò)邏輯(I/O)和傳輸層上的目標和發(fā)起接口源出和接收用戶(hù)數據，都支持完全兼容的最大有效載荷操作。

2. 緩沖層參考設計作為源代碼提供，可自動(dòng)重新劃分包的優(yōu)先級別并調整隊列。

3. SRIO物理層IP可實(shí)現鏈路培訓和初始化、發(fā)現和管理以及錯誤和重試恢復機制。另外，高速收發(fā)器在物理層IP中例化，可支持線(xiàn)速率為1.25Gbps、2.5Gbps和3.125Gbps的1通路和4通路SRIO總線(xiàn)鏈路。

4. 寄存器管理器參考設計允許SRIO主機器件設定并維護端點(diǎn)器件配置、鏈路狀態(tài)、控制和超時(shí)機制。另外，寄存器管理器上提供的端口可供用戶(hù)設計探測端點(diǎn)器件的狀態(tài)。

用于SRIO的整個(gè)Xilinx端點(diǎn)IP LogiCORE解決方案已全面經(jīng)過(guò)測試，硬件驗證也已進(jìn)行，目前正在就與主要SRIO器件供應商之間的協(xié)同工作能力接受測試。LogiCORE IP通過(guò)Xilinx CORE Generator軟件GUI工具提供，該工具允許用戶(hù)定制波特率和端點(diǎn)配置，并支持流量控制、重發(fā)送壓縮、門(mén)鈴和消息接發(fā)等擴展功能。這樣，您便可創(chuàng )建一個(gè)靈活、可擴展的定制SRIO端點(diǎn)IP，對自己的應用進(jìn)行優(yōu)化。

Virtex-5 FPGA計算資源

用于SRIO的Xilinx端點(diǎn)IP可確保在使用SRIO協(xié)議的鏈路雙方間建立高速連接。在最小的Virtex-5器件中，IP僅占用不到20%的可用邏輯資源，因此可確保用戶(hù)設計使用大多數邏輯/存儲器/I/O，集中實(shí)現系統應用。讓我們一起看一下Virtex-5器件資源。

邏輯模塊

Virtex-5邏輯架構帶有基于65nm工藝的六輸入查找表(LUT)，可提供最高的FPGA容量。進(jìn)位邏輯經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，該器件的性能比之前的器件高出30%。由于所需LUT減少，該器件的功耗明顯降低，且具備高度優(yōu)化的對稱(chēng)布線(xiàn)架構。

存儲器

Virtex-5存儲器解決方案包括LUT RAM、Block RAM及與大型存儲器進(jìn)行接口的存儲器控制器。Block RAM結構包括預制FIFO邏輯，即可用于外部存儲器的嵌入式檢錯和糾錯(ECC)邏輯。另外，Xilinx可通過(guò)存儲器接口生成器(MIG)工具向系統設計中的例化存儲器控制器模塊提供綜合設計資源。這樣，您便可利用經(jīng)過(guò)硬件驗證的解決方案，并將精力集中于設計中的其他關(guān)鍵部位。

并行和串行I/O

SelectIO技術(shù)幾乎可在設計中實(shí)現客戶(hù)所需的任何并行源同步接口。使用SelectIO接口，可方便地針對40多種不同的電氣標準創(chuàng )建符合行業(yè)標準的各類(lèi)接口，也可創(chuàng )建專(zhuān)用接口。SelectIO接口提供的最大速率為700Mbps(單端)和1.25Gbps(差分)。

所有Virtex-5 LXT FPGA都裝有一個(gè)GTP收發(fā)器，運行速度介于100Mbps到3.2Gbps之間。另外，GTP收發(fā)器在業(yè)界屬于最低功率MGT之一，每個(gè)收發(fā)器的功率小于100mW。引入用來(lái)簡(jiǎn)化設計的成熟設計技術(shù)和方法后，高速串行設計的流程變得簡(jiǎn)單快捷。

另外，通過(guò)新設計工具(RocketIO收發(fā)器向導與IBERT)和新硅片性能(TX和RX均衡與內置偽隨機位序列(PRBS)生成器和檢查器)，可以開(kāi)發(fā)移植架構的各種功能和優(yōu)勢，從并行I/O標準到30多種串行標準及新興的串行技術(shù)。

DSP模塊

每個(gè)DSP48E Slice可提供550MHz的性能水平，允許您創(chuàng )建要求單精度浮點(diǎn)性能的各類(lèi)應用，如多媒體、視頻和圖像應用以及數字通信。這擴展了器件的功能，使其優(yōu)于之前的器件，同時(shí)還提供了功率優(yōu)勢，動(dòng)態(tài)功耗的降低幅度超過(guò)了40%。Virtex-5 FPGA中還增加了DSP48E Slice的數量，這些模塊相對于可用邏輯資源及存儲器的比率從而得到了優(yōu)化。

集成I/O模塊

所有Virtex-5 LXT FPGA器件都具備一個(gè)端點(diǎn)模塊，用來(lái)實(shí)現PCIe功能。通過(guò)這種硬IP端點(diǎn)模塊，只需簡(jiǎn)單地重新進(jìn)行配置即可不費吹灰之力輕松地從x1擴展至x2和x4或x8。該模塊(x1、x4和x8鏈路)已通過(guò)嚴格的PCI-SIG兼容性和協(xié)同工作能力測試，用戶(hù)可放心用于PCIe。

另外，所有Virtex-5 LXT FPGA器件均裝有三態(tài)以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(TEMAC)，速度可達10/100/1,000Mbps。該模塊可提供專(zhuān)用以太網(wǎng)功能，再結合Virtex-5 LXT RocketIO收發(fā)器和SelectIO技術(shù)，可方便您與許多網(wǎng)絡(luò )器件進(jìn)行連接。

利用針對PCIe和以太網(wǎng)的這兩種模塊，可以創(chuàng )建一系列定制包處理和網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品，這些產(chǎn)品可大幅降低資源利用率和功耗。通過(guò)使用Xilinx FPGA中提供的這些各式資源，可以輕松創(chuàng )建并部署智能解決方案。

讓我們看一下利用SRIO和DSP技術(shù)的一些系統設計示例。

SRIO嵌入式系統應用

可以考慮圍繞基于x86架構的CPU構建一個(gè)嵌入式系統。CPU架構已高度優(yōu)化，可輕易滿(mǎn)足要求玩弄數字于股掌的各類(lèi)應用。您可以輕松地在使用CPU資源的硬件和軟件中實(shí)現各類(lèi)算法，以執行不需要進(jìn)行大量乘法運算的電子郵件、數據庫管理以及文字處理等功能。性能以每秒鐘所產(chǎn)生的指令/運算為數百萬(wàn)還是數十億來(lái)衡量，而效率通過(guò)完成特定運算所需的時(shí)間/周期來(lái)衡量。

需進(jìn)行大量定點(diǎn)和浮點(diǎn)運算的高性能應用在處理數據時(shí)需花費較長(cháng)時(shí)間。這方面的示例包括信號過(guò)濾、快速傅里葉變換、矢量乘法和搜索、圖像/視頻分析和格式轉換以及簡(jiǎn)單的數字處理算法。在DSP中實(shí)現的高端信號處理架構可輕松執行這些任務(wù)，并可優(yōu)化此類(lèi)運算。這些DSP的性能以每秒鐘進(jìn)行多少次乘法和累加運算來(lái)衡量。

您可以方便地設計使用CPU和DSP的嵌入式系統，以充分利用兩種處理技術(shù)。圖6表示使用FPGA、CPU和DSP架構的系統示例。

高端DSP中的主要數據互連為SRIO。x86 CPU中的主要數據互連為PCIe。如圖6所示，您可輕松部署FPGA以擴展DSP應用或對離散數據互連標準(如PCIe和SRIO)進(jìn)行橋接。

在圖6所示系統中，PCIe系統由根聯(lián)合體芯片組托管。SRIO系統由DSP托管。32/64位PCIe地址空間(基址)可智能化地被映射至34/66位SRIO地址空間(基址)。PCIe應用可通過(guò)存儲器或I/O讀寫(xiě)與根聯(lián)合體進(jìn)行通信。這些事務(wù)會(huì )通過(guò)NRead/NWrite/SWrite輕松映射至SRIO空間。

在Xilinx FPGA中設計此類(lèi)橋接功能很簡(jiǎn)單，因為這些Xilinx端點(diǎn)功能模塊、PCIe和SRIO的后端接口都很相似。這樣，“包隊列”模塊便可執行從PCIe到SRIO或反方向的交叉任務(wù)，從而建立可穿越兩個(gè)協(xié)議域的包流。

SRIO DSP系統應用

在DSP處理為主要架構要求的應用中，系統架構可按圖7進(jìn)行設計。

基于Virtex-5 FPGA的DSP處理與系統中的其他DSP器件結合即可構成智能協(xié)處理解決方案。如果使用SRIO作為數據互連，整個(gè)DSP系統解決方案就可以方便地進(jìn)行擴展。此類(lèi)解決方案能夠適應未來(lái)的發(fā)展變化，提供了延伸性，而且受多種形狀因子的支持。在DSP密集型應用中，通過(guò)將相應處理任務(wù)卸載至x86架構中可實(shí)現快速數字分析或數據處理。使用Virtex-5 FPGA可輕易地連接PCIe子系統和SRIO架構，從而實(shí)現高效功能卸載。

SRIO基帶系統應用

現有3G網(wǎng)絡(luò )正在以較快的步伐邁向成熟，OEM也在為緩解特定容量和覆蓋率問(wèn)題而部署新的形狀系數。要解決此類(lèi)特殊問(wèn)題，對市場(chǎng)趨勢做出評估，基于FPGA的DSP架構是理想選擇，該架構將SRIO用作數據層面標準。另外，早期DSP系統可快速升級，變?yōu)榭焖?、低功耗FPGA DSP架構，從而獲得可擴展性?xún)?yōu)勢。

如圖8中的系統所示，您可以對Virtex-5 FPGA進(jìn)行設計，以滿(mǎn)足現有對天線(xiàn)流量的線(xiàn)速率處理需求，還可通過(guò)SRIO提供與其他系統資源間的連接?，F有早期DSP應用的固有并行連接速度較慢，因可應用于Virtex-5 FPGA的SRIO端點(diǎn)功能的存在，移植這些應用極為方便。

本文小結

SRIO正出現在大量新應用中，主要以有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)應用中的DSP為中心。在Xilinx器件中實(shí)現SRIO架構的主要優(yōu)勢包括：
1. 整個(gè)SRIO端點(diǎn)解決方案的可用性；
2. 靈活性和可擴展性，便于使用同樣的硬件和軟件架構制成不同級別的產(chǎn)品；
3. 通過(guò)新GTP收發(fā)器和65nm技術(shù)實(shí)現了低功耗；
4. 通過(guò)CORE Generator軟件GUI工具輕松進(jìn)行配置；
5. 與業(yè)界領(lǐng)先的供應商間的硬件協(xié)同工作能力經(jīng)過(guò)了驗證，支持其器件上的SRIO連接；
6. 通過(guò)使用PCIe和TEMAC等集成I/O模塊，實(shí)現了系統集成，從而降低了總體系統成本。

另外，Virtex-5 FPGA所具備的DSP資源可在功耗、性能和帶寬方面滿(mǎn)足現有早期DSP系統的要求。更多優(yōu)勢還體現在系統集成方面，諸如以太網(wǎng)MAC的功能模塊、用于PCIe的端點(diǎn)模塊、處理器IP模塊、存儲元件及控制器等等。另外，由于IP核的詳盡列表支持在FPGA中進(jìn)行多種源整合，可以大大節省總體系統成本。