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第二代串行 RapidIO 和低成本、低功耗的 FPGA

导读: 随着诸如无线、有线和医疗/图像处理应用的带宽需求不断提高,设计师们必须依赖必要的工具集来获得其所需的实时信号处理功能。在无线领域,例如现有的3G 网络覆盖,如HSPA+和EV-DO(即3G+)以及现在新兴的4G部署,主要的关注焦点在于数据吞吐量和回传的要求。

  随着诸如无线、有线和医疗/图像处理应用的带宽需求不断提高,设计师们必须依赖必要的工具集来获得其所需的实时信号处理功能。在无线领域,例如现有的3G 网络覆盖,如HSPA+和EV-DO(即3G+)以及现在新兴的4G部署,主要的关注焦点在于数据吞吐量和回传的要求。它们要能够支持迅速增长的用户群,以及使用这些技术实现的无数视频和数据应用。因此就需要高速处理能力,以及同样重要的高度可靠、高吞吐量和低延迟的接口协议,来支持这些应用中所必需的各种DSP(DSP farm)、协同处理和桥接应用的需要。并且与大多数系统相同,成本和功耗也同样非常重要。DSP和网络处理单元(NPU)器件,加上支持第二代串行RapidIO(SRIO)的低成本、低功耗FPGA,可以为满足这些挑战提供一个理想的平台。

  第二代SRIO

  RapidIO规范是为各种终端定义的一种基于分组的技术,它最初是用于连接其他终端的数据包和交换的处理。如图1所示,该协议栈是一个三层协议规范,分为物理层协议、数据包传输(路由)层协议,以及逻辑层中的多种传输类型。

  

  图1 RapidIO协议栈

  总体来看,第二代规范主要增加了对5/6Gb/s串行数据速率(SERDES)和用于高速串行通道的2x线路配置(与之前v1.3版本规范中仅支持1x/4x相比)的支持。正如前文所述,重点是在不牺牲设计的成本或功耗预算的情况下,提高性能,因此本文的重点在于介绍第二代规范的2x功能。这是一个关键的增强功能,因为在许多情况下,系统需要比一条3.125Gb/s线路提供更大的吞吐量,但是使用4x 线路配置又显得多余了。这就是现在2x SERDES 线路配置可以提供的一个有效解决方案,让设计人员选择仍然使用一个低成本、低功耗的FPGA解决方案,例如Lattice ECP3,并且还能支持大多数的应用高达4x的线路配置,速率高达3.125Gb/s。

  FPGA的可编程性和灵活性在逻辑层发挥了很大的作用,可以实现多种通信技术。如图1所示,有4种数据传输协议。它们是直接I/O访问、消息传递、GSM和数据流。逻辑层可以进行定制,这取决于系统架构/要求,以确定SRIO终端如何进行数据交换。图1显示了RapidIO规范表示的协议栈。

  图2显示了如何使用低成本的可编程平台来实现协议栈。物理层和传输层使用标准的软IP核实现,但逻辑层还剩下许多可供用户定制的特性,以满足特定的设计要求。

  

  图2 FPGA实现示例

  低成本、低功耗拥有SRIO功能的FPGA的作用和优势

  如上所述,许多处理都由于DSP和NPU而失败,而通常情况下,它们两者的分工不同。DSP应用,尽管也进行密集型处理,但往往需要更多的中断驱动(如门铃),因为它们是在处理阵列中实现的,或者要接口到一个SRIO开关或终端——可能甚至要提供从SRIO到另一个基于SERDES的协议,如GbE或PCIe的桥接机制。而NPU更多地扮演了一个警察的角色来进行数据处理,主要负责通信量和队列处理。如图3中的示例所示,说明了低成本、低功耗FPGA可以如何协助实现一个成功且有效的系统解决方案。

  

  图3 FPGA应用示例

  FPGA因其固有的灵活性和快速的产品上市时间的优势,超越了ASIC而长期受到市场欢迎,但是最近,这些优势只能通过使用高级的高端器件才能实现,这就提高了成本和功耗预算。之前,低成本、低功耗FPGA仅限于“接口逻辑”和“错误修正”应用。然而,随着FPGA的价值定位大大地扩展,现在已不再是如此。为了支持处理需求,保持严格的成本和功耗预算,FPGA的架构已经经历了发展变化,显著地提高了性能、特性和逻辑密度,并且以比传统FPGA更低的功耗和价格来实现。增强的功能,如集成的SERDES、高速嵌入式DSP块、DDR3存储器支持和嵌入式存储器功能,已成为处理设计中的关键组成部分。系统工程师和设计工程师现在能够利用这些可编程平台实现复杂的信号路径应用,支持RRH和基带处理功能,以及有线和图像处理应用,并且与传统、高端的带有SERDES功能的FPGA产品相比,具有更低的功耗和成本。

  小结

  系统设计人员将继续面临设计更高性能系统并同时保持较低的系统构建和运营成本的压力。而这种压力还将继续延续下去。

  过去,FPGA在系统设计中发挥了重要作用,但现在还需要新的性能,同时需要降低整个系统的构建和运营成本。功能丰富、低成本的FPGA实现了快速的产品上市时间与较短的投资回报周期,并且拥有能够适应不断发展的标准的灵活性和性能。系统/设计工程师现在还拥有了一个令人兴奋的、改进的工具集来解决不断演进的信号处理市场的挑战。

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