分析寬帶系統互聯(lián)中的串行選擇

　　然而今天，子系統之間帶寬的迅速增長(cháng)，低延時(shí)通路在子系統邊界擴展的風(fēng)險，以及嚴格的功耗和成本預算等因素導致一切變得更加復雜。在很多設計中，不可能在系統中布滿(mǎn)CPU總線(xiàn)，或者外設總線(xiàn)。對于以芯片系統（SoC）實(shí)現的子系統，一些芯片設計人員能夠通過(guò)這些子系統預先了解您的系統互聯(lián)體系結構。由于低I/O電壓和極短的上升時(shí)間，點(diǎn)對點(diǎn)互聯(lián)遇到了很大的時(shí)序、信號完整性和電路板設計難題。

　　對于這一越來(lái)越復雜的情形，需要其他的解決方案。高速串行互聯(lián)一直主要用于通信行業(yè)，在較長(cháng)的距離上傳輸數據流。采用高級硅片工藝技術(shù)，在很多系統中，這些串行鏈路的接口變得非常小，而數據速率足夠高，多千兆位串行鏈路替代了并行總線(xiàn)，甚至是異步I/O.

　　一個(gè)很明顯的例子是PCI Express （PCIe）。最初的PCI是非常傳統的并行同步總線(xiàn)。隨著(zhù)個(gè)人計算機帶寬需求的增長(cháng)，Intel把這一拓撲遷移到了高速串行鏈路的多個(gè)通路上。相似的發(fā)展也出現在大容量存儲器件中，老的AT連接總線(xiàn)變?yōu)楝F在非常熟悉的串行ATA （SATA）。

　　而這些概念的應用已經(jīng)超出了外設總線(xiàn)。為能夠理解為什么高速串行鏈路可以應用于點(diǎn)對點(diǎn)連接甚至是單個(gè)電路板邊界上，讓我們了解一些系統劃分問(wèn)題。

　　系統劃分

　　在理想的理論體系結構中，系統劃分完全是基于數據和控制流圖的系統過(guò)程。您畫(huà)出圖，然后，將功能模塊劃分到子系統中，子系統分成更大的組，這樣，減小了帶寬需求，增大了子系統之間鏈路的延時(shí)約束。然后，您可以針對這一鏈路的需求，以最短的合適互聯(lián)，實(shí)現子系統之間的每一連接。

　　這一方法對于空白電路板非常適用。這實(shí)際上與SoC設計和FPGA使用的早期階段非常相似。但是，當今的大部分設計都從商用芯片開(kāi)始：專(zhuān)用標準產(chǎn)品（ASSP）或者微控制器單元（MCU）。這些SoC給我們提出了很多劃分要求，如圖1所示。我們選擇的芯片決定了我們的子系統邊界，以及應使用那種互聯(lián)技術(shù)。如果您MCU唯一的外部互聯(lián)是AMBA APB外設總線(xiàn)，或者DDR2存儲器總線(xiàn)，以及一些通用I/O引腳，那么，這就是您的選擇。

　　圖1.電機控制電路板上的芯片按照子系統進(jìn)行分組。

　　即使這樣，劃分仍然是系統設計中的一個(gè)重要步驟。而且，您必須對比SoC設計人員做出的假設和系統實(shí)際物理邊界、帶寬需求以及延時(shí)要求。因此，您需要識別出子系統：把需要交換大量數據的芯片放到一起，例如，SoC及其DRAM等?？梢园阉鼈冎g的窄帶、對延時(shí)要求不高的芯片放在不同的子系統中，例如，MCU和系統監視模數轉換器（ADC）等。通過(guò)這種分組方法包括了系統中所有的功能模塊后，可以轉向對子系統之間的鏈路進(jìn)行特征描述。

　　特征描述

　　在基于SoC的系統中，對子系統之間的互聯(lián)進(jìn)行特征描述看起來(lái)似乎沒(méi)有什么意義。SoC的I/O選項很好的定義了接口。但是作為系統設計人員，您還是需要回答某些重要問(wèn)題，仍然有一些可能不太明確的選項。

　　把問(wèn)題分成帶寬、延時(shí)和成本幾類(lèi)。帶寬是這些問(wèn)題的基礎。如果您建議的互聯(lián)方案是可行的，那么，您應該清楚的知道每一子系統的帶寬需求。一般而言，這實(shí)際上是一個(gè)意義不大的問(wèn)題。SoC設計人員將通路設計得很長(cháng)，以保證芯片上的I/O要比預測的任務(wù)需求多得多。一般有足夠的DRAM帶寬來(lái)處理芯片CPU高速緩存生成的所有指令和數據流。通常有PCIe等高速總線(xiàn)連接至主系統或者寬帶外設和加速器等。而且，還有與標準兼容的專(zhuān)用I/O接口。

　　但是，如果SoC設計人員沒(méi)有預見(jiàn)到您所做的工作呢？有時(shí)候，基于您對系統體系結構的分析，您選擇的SoC完全滿(mǎn)足您的接口要求。在其他情況下，您可能會(huì )發(fā)現，在某些地方會(huì )遇到瓶頸，而有的情況下會(huì )遇到未使用的帶寬，或者完全沒(méi)有使用的接口。在所有這些情況下，您可能會(huì )重新思考這些接口的用途?；蛘?，如果您通過(guò)在FPGA中匯集知識產(chǎn)權（IP）來(lái)構建SoC,那么，您能夠更靈活的重新安排系統互聯(lián)體系結構。特別是，您應該仔細處理系統中要求最高的數據流。將所有的東西都自動(dòng)轉儲到一條共享總線(xiàn)上，即使是快速PCIe總線(xiàn)，也不是好方法。