Virtex-5 FXT FPGA終極設(shè)計解決方案

Virtex-5FXTFPGA終極設(shè)計解決方案Virtex-5FXTFPGA–終極系統(tǒng)集成平臺由于眾多不斷增加和演化的標(biāo)準(zhǔn)、苛刻的處理要求以及不斷降低的成本和時間預(yù)算，數(shù)字融合時代加速了對FPGA基本價值主張的依賴性。這些基本價值主張是：靈活性、現(xiàn)場可升級能力、優(yōu)異的信號處理能力、更快的產(chǎn)品上市時間、降低風(fēng)險、適應(yīng)不斷演化的標(biāo)準(zhǔn)以及降低系統(tǒng)成本。Virtex-5平臺建立在這些豐富價值的基礎(chǔ)上，再加上高速串行連接功能和嵌入式處理能力，從而構(gòu)成了終極系統(tǒng)集成平臺。Virtex-5FXT平臺是唯一結(jié)合了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的550MHzPowerPC440嵌入式處理器內(nèi)核、DSP和高速串行I/O功能的FPGA，其無與倫比的系統(tǒng)集成度可更好地支持通信、音頻視頻廣播、軍事和航空、工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)療市場中的高性能應(yīng)用。利用Virtex-5FXT平臺，此類應(yīng)用的設(shè)計人員可以提高整體系統(tǒng)性能、最小化電路板復(fù)雜度并降低系統(tǒng)成本。Virtex-5系列無論在產(chǎn)品可用性還是為客戶提供的多種選擇方面，Virtex-5系列FPGA平臺都是業(yè)界領(lǐng)先的高密度65nmFPGA產(chǎn)品。Virtex-5系列是Virtex系列FPGA的第5代產(chǎn)品。基于其獨特的ASMBL架構(gòu)，Virtex-5系列提供了四個領(lǐng)域優(yōu)化的平臺共24款器件供客戶選擇：LX–針對邏輯應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化LXT–針對支持低功耗串行連接邏輯應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化SXT–針對支持串行連接的DSP應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化FXT–針對支持高速串行連接的嵌入式處理應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化該系列器件提供了一系列創(chuàng)新的特性，包括：新的CLB和增強的布線技術(shù)支持超快ExpressFabric?技術(shù)LXT、SXT和FXT平臺提供完全集成的PCIExpress?端點模塊LXT、SXT、FXT平臺提供完全集成的三模式(0/100/1000Mbps)以太網(wǎng)MAC模塊提供ECC選擇的36Kbit雙端口BRAM/FIFO模塊帶PLL的550Mhz時鐘管理管道(CMT)支持ChipSync技術(shù)的SelectIO第二代稀疏鋸齒形(SparseChevron)封裝技術(shù)支持增強引腳輸出功能多位流管理和多種細(xì)粒度幀尺寸方便進(jìn)行部分重配置Virtex-5FXT平臺增加的系統(tǒng)集成主要特性包括：完全集成的PowerPC440處理器模塊和128位互連高性能GTX6.5Gbps串行I/OXtremeDSP?邏輯片(DSP48E邏輯片)優(yōu)化組合表1：Virtex-5FXT產(chǎn)品一覽PowerPC440處理器模塊PowerPC440處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于賽靈思公司高密度FPGA所面向的細(xì)分市場中的眾多系統(tǒng)應(yīng)用中，并且經(jīng)受了測試和驗證。Virtex-5FXTFPGA率先提供了同時符合兩個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC440處理器，其增強的系統(tǒng)性能可支持設(shè)計人員快速容易地實現(xiàn)先進(jìn)的可升級嵌入式處理應(yīng)用。每個處理器集成32KB指令和32KB數(shù)據(jù)緩存，在550MHz時鐘下可以提供高達(dá)1,100DMIPS的性能。大幅提高系統(tǒng)處理性能的關(guān)鍵是通過多通道、高效、并發(fā)高速數(shù)據(jù)訪問來提高總體數(shù)據(jù)吞吐能力。為達(dá)到這一目的，新集成的5x2縱橫交換式處理器互連架構(gòu)與PowerPC440處理器緊密耦合，提供并發(fā)I/O和存儲器訪問能力(圖1)。這一高度集成的架構(gòu)支持5個主PLB(處理器局部總線)接口和兩個從接口、四個獨立收發(fā)全雙工信道DMA端口和一個專用存儲器總線接口，因此存儲器帶寬最高可達(dá)此前解決方案的5倍。在新的硬核化縱橫交換式架構(gòu)管理下，系統(tǒng)支持并發(fā)訪問多個128位總線(原來為64位)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)吞吐能力。先進(jìn)的PLB架構(gòu)支持高吞吐量128位接口，可縮小系統(tǒng)瓶頸，從而最大化處理器、縱橫開關(guān)式交換構(gòu)造以及軟IP邏輯之間的數(shù)據(jù)傳輸能力。圖1.PowerPC440模塊包括PowerPC440內(nèi)核和新的互連架構(gòu)與這一新架構(gòu)形成互補的是，這一平臺集成的增強高性能輔助處理器控制單元(APU)接口允許用戶可以構(gòu)造輔助處理器來執(zhí)行非PowerPC440指令集的指令。這樣就為視頻處理、3D數(shù)據(jù)處理和浮點算術(shù)等應(yīng)用中的專用協(xié)處理引擎或用戶專用定制指南提供了支持。高速串行連接能力Virtex-5FXT平臺支持最熱門的數(shù)字I/O和數(shù)千兆位(multi-gigabit)串行I/O技術(shù)，提供多達(dá)24個全功能RocketIO?千兆級收發(fā)器(GTX)。這些增強的收發(fā)器現(xiàn)在可以支持從500Mbps到6.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。Virtex-5FXTGTX收發(fā)器是目前Virtex-5系列中速度最快的，不僅擴(kuò)展了Virtex-5LXT和SXTFPGA中得到驗證的收發(fā)器架構(gòu)，同時也方便了在Virtex-5LXT、SXT&FXT平臺間的設(shè)計移植。在附加高數(shù)據(jù)速率性能的同時6.5Gbps速率時每通道消耗的典型功耗只有200mW。當(dāng)運行在較低的3.75Gbps速率時，每通道功耗僅100mW。除了更高的串行I/O性能以外，還增強了一些其它關(guān)鍵特性。為提高這些高速信號的信號完整性，集成了4抽頭決策反饋均衡器(DFE)、線性均衡器和發(fā)送預(yù)加重補償。決策反饋均衡器(DFE)是一種非線性均衡器，利用前檢測決策來消除當(dāng)前解調(diào)脈沖的符號間干擾(ISI)。DFE的優(yōu)點是其工作在無噪聲的量化電平上，因此其輸出與信道噪聲無關(guān)。GTX收發(fā)器提供了一種新的靈活速率變換器，或變速箱，支持主要領(lǐng)先協(xié)議的8B/10B,64B/66B和64B/67B編碼和同步。獨立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流支持全雙工操作。用于PCIExpress?、GigabitEthernet和XAUI的完整協(xié)議包為設(shè)計成功提供了一個低風(fēng)險的路徑。該協(xié)議包還可為SONETOC-48/SDHSTM-16和CPRI(CommonPublicRadioInterface)提供專用協(xié)議參數(shù)報告，從而能夠在采用新的串行協(xié)議時更有信心。每一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議包都包括針對特定協(xié)議物理層的特性描述報告、互操作性和兼容性報告、知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核以及技術(shù)文檔，支持用戶高效且低風(fēng)險地在Virtex?-5FPGA中實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的高速串行協(xié)議。系統(tǒng)級數(shù)字信號處理Virtex-5FXT平臺的DSP性能對于其作為終極系統(tǒng)集成平臺的價值做出了重要貢獻(xiàn)?；旧?，與傳統(tǒng)DSP處理器的固定架構(gòu)相比，F(xiàn)PGA提供的DSP性能高出幾個數(shù)量級。目前越來越多的通信和多媒體系統(tǒng)都需要高于4MSPS的DSP性能，因此已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)獨立DSP處理器的極限。利用FPGA可以方便地構(gòu)造出高度并行的處理架構(gòu)，能夠在單個時鐘周期里完成復(fù)雜的算法，從而單片器件就可以提供數(shù)以百計的MSPS性能。在如此高的DSP性能水平，設(shè)計人員可以選擇降低FPGA的時鐘速率來節(jié)省功耗，也可以選擇實現(xiàn)更多通道來降低系統(tǒng)成本并降低材料清單成本(BOM)。Virtex-5FPGA系列高性能DSP功能的關(guān)鍵是其DSP48E邏輯片。這些邏輯片能夠高效執(zhí)行大多數(shù)數(shù)字濾波器底層運算的乘法累加操作。含內(nèi)建乘法器模塊的FPGA支持以專用硬件實現(xiàn)更寬輸入的濾波器，從而使DSP設(shè)計人員可以獲得更高的性能。Virtex-5FXTFPGA提供高比率的DSP邏輯片(含高達(dá)384個內(nèi)建18x25DSP邏輯片)，可以在500MHz時鐘頻率下提供高達(dá)192GMACs/秒的性能。與Virtex-4中的18x18乘法器相比，Virtex-5DSP48E邏輯片中的乘法器達(dá)到25x18。與更寬的數(shù)據(jù)路徑和96位累加輸出相配合可以支持更高精度的單精度浮點運算。同時，DSP48E邏輯片在高精度濾波器工作時消費的資源也更少。除了快速的邏輯執(zhí)行速度以外，高性能系統(tǒng)還需要處理單元具備快速吞吐大量數(shù)據(jù)的能力。VirtexFPGA提供了兩種互補的方法來構(gòu)建高效的存儲器結(jié)構(gòu)：查找表(LUT)邏輯結(jié)構(gòu)中的存儲器單元構(gòu)成的分布式RAM可以支持實現(xiàn)64位移位寄存器。36Kb模塊的嵌入式BlockRAM結(jié)構(gòu)可提供多達(dá)16.5Mb的存儲器。由于嵌入式BlockRAM結(jié)構(gòu)在芯片上是與DSP48E邏輯片鄰近的，因此它們?yōu)橄驗V波器架構(gòu)供應(yīng)數(shù)據(jù)提供了超高帶寬方法。FXT平臺可提供高達(dá)16.5Mb的內(nèi)部存儲器和163GBytes/s聚集IO性能的總IO帶寬，可以滿足系統(tǒng)級要求。高系統(tǒng)集成度進(jìn)一步提高性能Virtex-5FXTFPGA系統(tǒng)集成度的增強進(jìn)一步提高了性能，這主要是由于整個平臺處理子系統(tǒng)改善的復(fù)合效應(yīng)。采用縱橫交換式互連架構(gòu)來代替單共享總線互連方式，利用多個獨立總線組成的網(wǎng)絡(luò)來并行完成數(shù)據(jù)傳輸，從而改善了總體系統(tǒng)性能。多個運算操作可同時進(jìn)行，減少了堵塞和等待時間。利用128數(shù)據(jù)傳輸則進(jìn)一步提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力。圖2.在Virtex-5FXT平臺上，新的PowerPC440處理器模塊接口通過硬交換式互連構(gòu)造與硬核三模以太網(wǎng)MAC連接。例如，圖2中所示的千兆以太網(wǎng)設(shè)計顯示出縱橫交換式結(jié)構(gòu)中存儲器控制器(構(gòu)造中生成的軟控制器)與存儲器控制器接口(MCI)的典型連接。由于這是一個獨立于其它訪問操作(如外設(shè)處理)的專用端口，因此總延遲和帶寬也獲得改善。外設(shè)(軟)附加到PLB46總線，并連接到縱橫交換構(gòu)造上獨立的主PLB(MPLB)端口。千兆以太網(wǎng)通過新集成的硬件DMA控制器之一連接到系統(tǒng)。DMA引擎也接口到縱橫交換構(gòu)造。在需要時，這一交換構(gòu)造成為DMA引擎與主存儲器的連接路徑。千兆以太網(wǎng)設(shè)計還利用了Virtex-5FXT平臺中的硬核千兆以太網(wǎng)MAC，因此可以利用更少的資源并降低功耗。將上述基于Virtex-5FXT平臺的千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)與基于Virtex-4FX平臺的同樣系統(tǒng)相比，性能提高了2.7倍。這一性能提升是指總體系統(tǒng)吞吐能力的提升，而非僅僅是處理器、外設(shè)或I/O。應(yīng)用眾多復(fù)雜應(yīng)用如有線和無線通信、音頻/視頻廣播、航空和國防以及工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療等四大關(guān)鍵行業(yè)所提出的高度多元化的苛刻要求，使得Virtex-5FXT平臺復(fù)合系統(tǒng)集成應(yīng)運而生。這些市場中的客戶對于賽靈思FXT產(chǎn)品線的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，他們的共同推動，使得器件配置能夠滿足FPGA邏輯、嵌入式處理、DSP、存儲器和串行IO等所有方面的要求。通信無線通信市場是一個變化快速且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計人員始終面臨提供新解決方案的挑戰(zhàn)，或者是為了降低現(xiàn)有產(chǎn)品成本，或者是提供無風(fēng)險的基礎(chǔ)設(shè)施遷移方法，為現(xiàn)有以及下一代技術(shù)(如3GPP-LTE和WiMAX)提供高效的支持。圖3.采用Virtex-5FX100T器件的下一代無線基站(LTE)。在這一應(yīng)用中采用賽靈思Virtex-5FXTFPGA可保證處理器子系統(tǒng)、DSP賦能的FPGA構(gòu)造以及高速通信之間的緊密耦合和集成。這一LTE基帶參考系統(tǒng)的硬件和軟件單元的集成都利用標(biāo)準(zhǔn)硬件電路板在單片Virtex-5FX100T器件上實現(xiàn)。音頻/視頻廣播IP視頻(Video-Over-IP)系統(tǒng)利用MPEG-2等壓縮標(biāo)準(zhǔn)對視頻流進(jìn)行編碼。然后，該系統(tǒng)利用因特網(wǎng)協(xié)議(IP)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不同點之間編碼位流的傳輸。與網(wǎng)絡(luò)上非時間關(guān)鍵的其它業(yè)務(wù)流量不同，視頻數(shù)據(jù)必須遵守嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求才能夠滿足視頻要求。目前利用視頻處理器、用于加速或完成實時算法的可編程邏輯、以及用于網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)解決方案構(gòu)成的分塊式解決方案也可以滿足這些要求。但Virtex-5FXTFPGA是業(yè)界首個在單個可編程SOC芯片上實現(xiàn)了所有這些功能。圖4.IP視頻(Video-Over-IP)系統(tǒng)集成圖顯示高級要求終極設(shè)計解決方案很顯然，這一終極系統(tǒng)集成平臺需要一個統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境。這一設(shè)計環(huán)境可以充分發(fā)揮賽靈思FPGA器件中所集成的系統(tǒng)級平臺單元和豐富功能，保證最佳的設(shè)計生產(chǎn)力和系統(tǒng)性能。為此，賽靈思公司推出了ISEDesignSuite10.1版軟件套件。該套件為系統(tǒng)設(shè)計小組提供了創(chuàng)建集靈活的FPGA邏輯、嵌入式處理、高速串行IO、DSP、板上存儲器設(shè)計和接口以及可定制IP模塊于一體的高級最終解決方案所需要的所有開發(fā)和調(diào)試工具。ISE設(shè)計套件集成了多種屢獲殊榮的設(shè)計工具和技術(shù)，可方便和加快系統(tǒng)開發(fā)。該套件包括以下工具：FPGA設(shè)計環(huán)境ISEFoundation軟件和ISEWebPACK軟件(免費下載)PlanAhead設(shè)計和分析工具以及PlanAheadLiteSmartXplorer嵌入式處理設(shè)計環(huán)境XilinxPlatformStudio和嵌入式開發(fā)套件(EmbeddedDevelopmentKit(EDK))DSP設(shè)計環(huán)境SystemGeneratorforDSPAccelDSPSynthesisTool平臺調(diào)試支持ChipScopePro工具ChipScopePro串行I/O工具集作為ISEDesignSuite的一部分，ISEFoundation軟件是業(yè)界首屈一指的FPGA邏輯設(shè)計工具集。與ISEFoundation一起提供的還有賽靈思公司PlanAhead設(shè)計分析工具，為適配到賽靈思FPGA器件的設(shè)計提供了強大的