第二代串行 RapidIO 和低成本、低功耗的 FPGA

隨著諸如無線、有線和醫(yī)療/圖像處理應(yīng)用的帶寬需求不斷提高，設(shè)計(jì)師們必須依賴必要的工具集來獲得其所需的實(shí)時(shí)信號處理功能。在無線領(lǐng)域，例如現(xiàn)有的3G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如HSPA+和EV-DO（即3G+）以及現(xiàn)在新興的4G部署，主要的關(guān)注焦點(diǎn)在于數(shù)據(jù)吞吐量和回傳的要求。它們要能夠支持迅速增長的用戶群，以及使用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無數(shù)視頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用。因此就需要高速處理能力，以及同樣重要的高度可靠、高吞吐量和低延遲的接口協(xié)議，來支持這些應(yīng)用中所必需的各種DSP（DSP farm）、協(xié)同處理和橋接應(yīng)用的需要。并且與大多數(shù)系統(tǒng)相同，成本和功耗也同樣非常重要。DSP和網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）器件，加上支持第二代串行RapidIO（SRIO）的低成本、低功耗FPGA，可以為滿足這些挑戰(zhàn)提供一個(gè)理想的平臺。

第二代SRIO
RapidIO規(guī)范是為各種終端定義的一種基于分組的技術(shù)，它最初是用于連接其他終端的數(shù)據(jù)包和交換的處理。如圖1所示，該協(xié)議棧是一個(gè)三層協(xié)議規(guī)范，分為物理層協(xié)議、數(shù)據(jù)包傳輸（路由）層協(xié)議，以及邏輯層中的多種傳輸類型。

圖1 RapidIO協(xié)議棧

總體來看，第二代規(guī)范主要增加了對5/6Gb/s串行數(shù)據(jù)速率（SERDES）和用于高速串行通道的2x線路配置（與之前v1.3版本規(guī)范中僅支持1x/4x相比）的支持。正如前文所述，重點(diǎn)是在不犧牲設(shè)計(jì)的成本或功耗預(yù)算的情況下，提高性能，因此本文的重點(diǎn)在于介紹第二代規(guī)范的2x功能。這是一個(gè)關(guān)鍵的增強(qiáng)功能，因?yàn)樵谠S多情況下，系統(tǒng)需要比一條3.125Gb/s線路提供更大的吞吐量，但是使用4x 線路配置又顯得多余了。這就是現(xiàn)在2x SERDES 線路配置可以提供的一個(gè)有效解決方案，讓設(shè)計(jì)人員選擇仍然使用一個(gè)低成本、低功耗的FPGA解決方案，例如Lattice ECP3，并且還能支持大多數(shù)的應(yīng)用高達(dá)4x的線路配置，速率高達(dá)3.125Gb/s。

FPGA的可編程性和靈活性在邏輯層發(fā)揮了很大的作用，可以實(shí)現(xiàn)多種通信技術(shù)。如圖1所示，有4種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。它們是直接I/O訪問、消息傳遞、GSM和數(shù)據(jù)流。邏輯層可以進(jìn)行定制，這取決于系統(tǒng)架構(gòu)/要求，以確定SRIO終端如何進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖1顯示了RapidIO規(guī)范表示的協(xié)議棧。

圖2顯示了如何使用低成本的可編程平臺來實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧。物理層和傳輸層使用標(biāo)準(zhǔn)的軟IP核實(shí)現(xiàn)，但邏輯層還剩下許多可供用戶定制的特性，以滿足特定的設(shè)計(jì)要求。

圖2 FPGA實(shí)現(xiàn)示例

低成本、低功耗擁有SRIO功能的FPGA的作用和優(yōu)勢
如上所述，許多處理都由于DSP和NPU而失敗，而通常情況下，它們兩者的分工不同。DSP應(yīng)用，盡管也進(jìn)行密集型處理，但往往需要更多的中斷驅(qū)動(dòng)（如門鈴），因?yàn)樗鼈兪窃谔幚黻嚵兄袑?shí)現(xiàn)的，或者要接口到一個(gè)SRIO開關(guān)或終端——可能甚至要提供從SRIO到另一個(gè)基于SERDES的協(xié)議，如GbE或PCIe的橋接機(jī)制。而NPU更多地扮演了一個(gè)警察的角色來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要負(fù)責(zé)通信量和隊(duì)列處理。如圖3中的示例所示，說明了低成本、低功耗FPGA可以如何協(xié)助實(shí)現(xiàn)一個(gè)成功且有效的系統(tǒng)解決方案。

圖3 FPGA應(yīng)用示例

FPGA因其固有的靈活性和快速的產(chǎn)品上市時(shí)間的優(yōu)勢，超越了ASIC而長期受到市場歡迎，但是最近，這些優(yōu)勢只能通過使用高級的高端器件才能實(shí)現(xiàn)，這就提高了成本和功耗預(yù)算。之前，低成本、低功耗FPGA僅限于“接口邏輯”和“錯(cuò)誤修正”應(yīng)用。然而，隨著FPGA的價(jià)值定位大大地?cái)U(kuò)展，現(xiàn)在已不再是如此。為了支持處理需求，保持嚴(yán)格的成本和功耗預(yù)算，F(xiàn)PGA的架構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了發(fā)展變化，顯著地提高了性能、特性和邏輯密度，并且以比傳統(tǒng)FPGA更低的功耗和價(jià)格來實(shí)現(xiàn)。增強(qiáng)的功能，如集成的SERDES、高速嵌入式DSP塊、DDR3存儲器支持和嵌入式存儲器功能，已成為處理設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組成部分。系統(tǒng)工程師和設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在能夠利用這些可編程平臺實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的信號路徑應(yīng)用，支持RRH和基帶處理功能，以及有線和圖像處理應(yīng)用，并且與傳統(tǒng)、高端的帶有SERDES功能的FPGA產(chǎn)品相比，具有更低的功耗和成本。

小結(jié)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將繼續(xù)面臨設(shè)計(jì)更高性能系統(tǒng)并同時(shí)保持較低的系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)營成本的壓力。而這種壓力還將繼續(xù)延續(xù)下去。

過去，F(xiàn)PGA在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，但現(xiàn)在還需要新的性能，同時(shí)需要降低整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建和運(yùn)營成本。功能豐富、低成本的FPGA實(shí)現(xiàn)了快速的產(chǎn)品上市時(shí)間與較短的投資回報(bào)周期，并且擁有能夠適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)的靈活性和性能。系統(tǒng)/設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在還擁有了一個(gè)令人興奮的、改進(jìn)的工具集來解決不斷演進(jìn)的信號處理市場的挑戰(zhàn)。