目前，對高速通信與超快計算的需求正與日俱增。有線和無線通信標準的應用隨處可見，數據處理架構每天都在擴展。較為普遍的有線通信方式是以太網（LAN、WAN 和 MAN 網絡）。手機通信是最為常見的無線通信方式，由應用了 DSP 的架構實現(xiàn)。電話作為語音連接的主要工具，目前正在不斷滿足日益增強的語音、視頻和數據要求。 系統(tǒng)設計人員在創(chuàng)建架構時不僅需考慮三網合一模式這一高端需求，還需滿足以下要求：高性能;低延遲;較低的系統(tǒng)成本（包括 NRE）;可擴展、可延伸架構;集成現(xiàn)成 （OTS） 組件;分布式處理;支持多種標準和協(xié)議。

 

這些挑戰(zhàn)涉及到兩個主要方面：有線或無線架構中計算平臺/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）可以滿足現(xiàn)在的需求，但在擴展性和延伸性方面略顯不足。隨著基于包處理方式的出現(xiàn)，使用趨勢明顯偏向高速串行連接（見圖1）。

 

圖1 串行連接趨勢

 

臺式電腦和網絡工業(yè)已采用了 PCI Express （PCIe） 和千兆位以太網/XAUI 等標準。不過，無線架構中數據處理系統(tǒng)的互連要求略有不同，其特點是：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;多點傳輸;高可靠性;絕對時刻同步;服務質量 （QoS）。

 

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

 

 

圖2 SRIO網絡構建模塊 SRIO 網絡圍繞兩個基本模塊構建而成：端點和交換機（見圖2）。端點對包進行源端（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以一個三層架構層級指定（見圖3）：

 

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

 

·傳輸層規(guī)范為包在端點間移動提供必需布線信息。交換機通過使用基于器件的布線在傳輸層中運行。

 

·邏輯層規(guī)范定義總體協(xié)議和包格式。所有包的有效載荷字節(jié)數為 256 或更少。事務使用指向 34-/50-/66 位地址空間的加載/存儲/DMA 操作。

 

事務包括：

 

·NREAD-讀操作（返回數據即為響應）

 

·NWRITE - 寫操作，無響應

 

·NWRITE_R - 強韌型寫入，響應來自目標端點

 

·SWRITE - 流式寫入

 

·ATOMIC - 原子性讀/改/寫

 

·MAINTENANCE - 系統(tǒng)查找、探測、初始化、配置和維護操作

 

圖3 分層SRIO架構

 

SRIO - 優(yōu)勢前景

 

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(jiān)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軟件實現(xiàn)的，但目前都已轉為硬件實現(xiàn)。這就需要帶寬和處理能力能夠實現(xiàn)共享的大型并行生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)需要使用 CPU、NPU、FPGA 或 ASIC，從而實現(xiàn)共享或分布式處理。

 

在構建能夠適應未來發(fā)展變化的系統(tǒng)時，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：

 

·多個主機 - 分布式處理

 

·直接點對點通信

 

·多個異構操作系統(tǒng)

 

·復雜拓撲結構：發(fā)現(xiàn)機制;多余通路（故障恢復）

 

·可支持高可靠性：無損協(xié)議;自動重新培訓和器件同步;系統(tǒng)級錯誤管理

 

·能夠支持通信數據平面：多點傳輸;流量管理（有損）操作;鏈路、級別和基于流的流量控制;協(xié)議互通;較高事務并發(fā)度

 

·模塊化、可擴展

 

·支持廣泛生態(tài)系統(tǒng)

 

由無線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(guī)范（見圖4）對基于包的分層架構進行了定義，可支持多個域或市場區(qū)間，從而有利于系統(tǒng)架構設計師設計新一代計算平臺。通過將 SRIO 用作計算互連，可輕松實現(xiàn)以下功能：使架構獨立;部署可靠性為運營商級的可擴展系統(tǒng);實現(xiàn)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。

 

圖4 SRIO規(guī)范

 

SRIO 為基于包的協(xié)議，該協(xié)議支持：通過基于包的操作（讀、寫、消息）移動數據;I/O 非連貫功能和緩存連貫功能;通過支持數據流、數據分區(qū)和重組功能而實現(xiàn)高效互通和協(xié)議封裝;通過啟用數百萬個流而實現(xiàn)流量管理框架，支持 256 流量級別和有損操作;流控制，支持多個事務請求流，提供 QoS;支持優(yōu)先級別，從而可緩解帶寬分配和事務順序等問題，并避免死鎖;支持拓撲，通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、配置和維護支持標準（樹狀和網格）與任意硬件（菊花鏈）拓撲，包括支持多個主機;錯誤管理和分類（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 IP 解決方案針對 RapidIO 規(guī)范 （v1.3） 而設計。用于 SRIO 的完整 Xilinx 端點 IP 解決方案包括以下部分（見圖5）：

 

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

 

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

 

·SRIO 物理層 IP 可實現(xiàn)鏈路培訓和初始化、發(fā)現(xiàn)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，可支持線速率為1.25Gbps、2.5Gbps和3.125Gbps的1通路和 4 通路 SRIO 總線鏈路。

 

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

 

圖5 用于SRIO的Xilinx端點IP構架

 

用于 SRIO 的整個 Xilinx 端點 IP LogiCORE 解決方案已全面經過測試，硬件驗證也已進行，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 Xilinx CORE Generator軟件 GUI 工具提供，該工具允許用戶定制波特率和端點配置，并支持流量控制、重發(fā)送壓縮、門鈴和消息接發(fā)等擴展功能。這樣，用戶便可創(chuàng)建一個靈活、可擴展的定制 SRIO 端點 IP，對自己的應用進行優(yōu)化。

 

Virtex-5 FPGA計算資源

 

用于 SRIO 的 Xilinx 端點 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，因此可確保用戶設計使用大多數邏輯/存儲器/I/O，集中實現(xiàn)系統(tǒng)應用。

 

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。進位邏輯經過改進后，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)化的對稱布線架構。

 

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 可通過存儲器接口生成器 （MIG） 工具向系統(tǒng)設計中的例化存儲器控制器模塊提供綜合設計資源。這樣，用戶便可利用經過硬件驗證的解決方案，并將精力集中于設計中的其他關鍵部位。

 

并行和串行 I/O

 

SelectIO技術幾乎可在設計中實現(xiàn)客戶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)標準的各類接口，也可創(chuàng)建專用接口。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都集成有一個 GTP 收發(fā)器，運行速度介于 100 Mbps 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，每個收發(fā)器的功率小于 100mW。引入用來簡化設計的成熟設計技術和方法后，高速串行設計的流程變得簡單快捷。

 

另外，通過新設計工具（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。

 

DSP 模塊

 

每個 DSP48E Slice 可提供 550MHz 的性能水平，允許用戶創(chuàng)建要求單精度浮點性能的各類應用，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，同時還提供了功率優(yōu)勢，動態(tài)功耗的降低幅度超過了 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 器件都具備一個端點模塊，用來實現(xiàn) PCIe 功能。通過這種硬 IP 端點模塊，只需簡單地重新進行配置即可輕松地從 x1 擴展至 x2 和 x4 或 x8。該模塊（x1、x4 和 x8 鏈路）已通過嚴格的 PCI-SIG 兼容性和協(xié)同工作能力測試，用戶可放心用于 PCIe。

 

另外，所有 Virtex-5 LXT FPGA 器件均裝有三態(tài)以太網媒體訪問控制器 （TEMAC），速度可達 10/100/1000Mbps。該模塊可提供專用以太網功能，再結合 Virtex-5 LXT RocketIO 收發(fā)器和 SelectIO 技術，可方便與許多網絡器件進行連接。

 

利用針對 PCIe 和以太網的這兩種模塊，可以創(chuàng)建一系列定制包處理和網絡產品，這些產品可大幅降低資源利用率和功耗。通過使用 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。

 

SRIO 嵌入式系統(tǒng)應用

 

可以考慮圍繞基于 x86 架構的 CPU 構建一個嵌入式系統(tǒng)。CPU 架構已高度優(yōu)化，可輕易滿足要求玩弄數字于股掌的各類應用。用戶可以輕松地在使用 CPU 資源的硬件和軟件中實現(xiàn)各類算法，以執(zhí)行不需要進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。性能以每秒鐘所產生的指令/運算為數百萬還是數十億來衡量，而效率通過完成特定運算所需的時間/周期來衡量。

 

需進行大量定點和浮點運算的高性能應用在處理數據時需花費較長時間。這方面的示例包括信號過濾、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單的數字處理算法。在 DSP 中實現(xiàn)的高端信號處理架構可輕松執(zhí)行這些任務，并可優(yōu)化此類運算。這些 DSP 的性能以每秒鐘進行多少次乘法和累加運算來衡量。

 

用戶可以方便地設計使用 CPU 和 DSP 的嵌入式系統(tǒng)，以充分利用兩種處理技術。圖 6表示使用 FPGA、CPU 和 DSP 架構的系統(tǒng)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，用戶可輕松部署 FPGA 以擴展 DSP 應用或對離散數據互連標準（如 PCIe 和 SRIO）進行橋接。

 

圖6 基于CPU的可擴展、高性能、嵌入式系統(tǒng)

 

在圖 6 所示系統(tǒng)中，PCIe 系統(tǒng)由根聯(lián)合體（Root Complex）芯片組托管。SRIO 系統(tǒng)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 應用可通過存儲器或 I/O 讀寫與根聯(lián)合體進行通信。這些事務會通過 NRead/NWrite/SWrite 輕松映射至 SRIO 空間。

 

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

 

SRIO DSP 系統(tǒng)應用

 

在 DSP 處理為主要架構要求的應用中，系統(tǒng)架構可按圖 7 進行設計。

 

圖7 DSP密集型陣列

 

基于 Virtex-5 FPGA 的 DSP 處理與系統(tǒng)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 DSP 系統(tǒng)解決方案就可以方便地進行擴展。此類解決方案能夠適應未來的發(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，通過將相應處理任務卸載至 x86 架構中可實現(xiàn)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(tǒng)和 SRIO 架構，從而實現(xiàn)高效功能卸載。

 

SRIO 基帶系統(tǒng)應用

 

現(xiàn)有 3G 網絡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題而部署新的形狀系數。要解決此類特殊問題，對市場趨勢做出評估，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(tǒng)可快速升級，變?yōu)榭焖?、低功?FPGA DSP 架構，從而獲得可擴展性優(yōu)勢。

 

如圖 8 中的系統(tǒng)所示，您可以對 Virtex-5 FPGA 進行設計，以滿足現(xiàn)有對天線流量的線速率處理需求，還可通過 SRIO 提供與其他系統(tǒng)資源間的連接?，F(xiàn)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 端點功能的存在，移植這些應用極為方便。

 

圖8 可擴展基帶上行鏈路/下行鏈路卡

 

結語

 

SRIO 正出現(xiàn)在大量新應用中，主要以有線和無線應用中的 DSP 為中心。在 Xilinx 器件中實現(xiàn) SRIO 架構的主要優(yōu)勢包括：整個 SRIO 端點解決方案的可用性;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品;通過新 GTP 收發(fā)器和 65 nm 技術實現(xiàn)了低功耗;通過 CORE Generator 軟件 GUI 工具輕松進行配置;與業(yè)界領先的供應商間的硬件協(xié)同工作能力經過了驗證，支持其器件上的 SRIO 連接; 通過使用 PCIe 和 TEMAC 等集成 I/O 模塊，實現(xiàn)了系統(tǒng)集成，從而降低了總體系統(tǒng)成本。

 

另外，Virtex-5 FPGA 所具備的 DSP 資源可在功耗、性能和帶寬方面滿足現(xiàn)有早期 DSP 系統(tǒng)的要求。更多優(yōu)勢還體現(xiàn)在系統(tǒng)集成方面，諸如以太網 MAC 的功能模塊、用于 PCIe 的端點模塊、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 中進行多種源整合，可以大大節(jié)省總體系統(tǒng)成本。

（來源：中電網，作者：Navneet Rao ）