FPGA與各組成器件之間互聯(lián)的問題

系統(tǒng)架構(gòu)確定，下一步就是FPGA與各組成器件之間互聯(lián)的問題了。通常來說，CPU和FPGA的互聯(lián)接口，主要取決兩個要素：

（1）CPU所支持的接口。

（2）交互的業(yè)務。

通常來說，F(xiàn)PGA一般支持與CPU連接的數(shù)字接口，其常用的有EMIF，PCI，PCI-E，UPP，網(wǎng)口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作為總線類接口，F(xiàn)PGA通常作為從設備與CPU連接，CPU作為主設備通過訪問直接映射的地址對FPGA進行訪問。根據(jù)是否有時鐘同步，通?？偩€訪問分為同步或異步的總線，根據(jù)CPU外部總線協(xié)議有所不同，但數(shù)據(jù)、地址、控制信號基本是總線訪問類型中總線信號所不能省略的。CPU手冊中會對信號定義和時序控制有著詳細的說明，F(xiàn)PGA需要根據(jù)這些詳細說明來實現(xiàn)相應的邏輯。同時CPU還可以對訪問時序進行設置，比如最快時鐘，甚至所需的最小建立時間和保持時間，這些一般CPU都可以進行設置，而這些具體參數(shù)，不僅影響FPGA的實現(xiàn)，也決定總線訪問的速度和效率。對于同步總線，只需要根據(jù)輸入時鐘進行采樣處理即可，但對于異步總線，則需要的對進入的控制信號進行同步化處理，通常處理方式是寄存兩拍，去掉毛刺。因此用于采樣的時鐘就與CPU所設置的總線參數(shù)相關(guān)，如采樣時鐘較低，等控制信號穩(wěn)定后在譯碼后輸出，一個總線操作周期的時間就會相對較長，其處理的效率也相對較低；假如采樣時鐘過快，則對關(guān)鍵路徑又是一個挑戰(zhàn)，因此合理設定采樣頻率，便于接口的移植并接口的效率是設計的關(guān)鍵點和平衡點。

對于總線型的訪問來說，數(shù)據(jù)信號通常為三態(tài)信號，用于輸入和輸出。這種設計的目的是為了減少外部連線的數(shù)量。因為數(shù)據(jù)信號相對較多一般為8/16/32位數(shù)據(jù)總線?？偩€的訪問的優(yōu)勢是直接映射到系統(tǒng)的地址區(qū)間，訪問較為直觀。但相對傳輸速率不高，通常在幾十到100Mbps以下。這種原因的造成主要為以下因素（1）受制總線訪問的間隔，總線操作周期等因素，總線訪問間隔即兩次訪問之間總線空閑的時間，而總線操作周期為從發(fā)起到相應的時間。（2）不支持雙向傳輸，并且FPGA需主動發(fā)起對CPU操作時，一般只有發(fā)起CPU的中斷處理一種方式。這種總線型操作特點，使其可以用作系統(tǒng)的管理操作，例如FPGA內(nèi)部寄存器配置，運行過程中所需參數(shù)配置，以及數(shù)據(jù)流量較小的信息交互等操作。這些操作數(shù)據(jù)量和所需帶寬適中，可以應對普通的嵌入式系統(tǒng)的處理需求。

對于大數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)交互，一般采用專用的總線交互，其特點是，支持雙向傳輸，總線傳輸速率較快，例如GMII/RGMII、Upp、專用LVDS接口，及 SERDES接口。專用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII，專用LVDS接口一般處理在1GbpS一下的業(yè)務形式，而PCI-E，根據(jù)其型號不同，支持幾Gbps的傳輸速率。而XAUI可支持到10Gbps的傳輸速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的業(yè)務傳輸。

對于不同所需的業(yè)務形式及處理器的類型，則可選擇相應的接口形式，來傳輸具體的業(yè)務?，F(xiàn)今主流FPGA中都提供的各種接口的IP。選擇FPGA與各型CPU互聯(lián)接口，一般選擇主流的應用交互方案，特殊的接口缺少支撐IP，導致開發(fā)、調(diào)試、維護和兼容性的成本都較大，同時注意系統(tǒng)的持續(xù)演進的需要，如只在本項目使用一次，而下一項目或開發(fā)階段已摒棄此類接口，則需提前規(guī)劃技術(shù)路線。畢竟一個穩(wěn)定、高效的接口互聯(lián)是一個項目成功的基礎。

不是所有的嵌入式系統(tǒng)都需要“高大上”的接口形式，各類低速的穩(wěn)定接口也同樣在FPGA的接口互聯(lián)中有著重要的角色，其中UART、SPI、I2C等連接形式也非常的常見。畢竟，一個優(yōu)秀的設計不是“高大上”的堆積，而是對需求最小成本的滿足。適合的才是最美的。

FPGA與各組成器件之間互聯(lián) - FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)組成和器件互聯(lián)問題---FPGA通常作為從設備與CPU連接

Serial RapidIO (SRIO)與PCIE

1.1 與PCIe的差異

典型的PCIe結(jié)構(gòu)定義了一個以單個中央處理器為核心的計算機系統(tǒng)，比如我們常見的工控機、PXIe機箱控制器、服務器內(nèi)的IO設備。從系統(tǒng)架構(gòu)來看，這個結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可有統(tǒng)一的軟件驅(qū)動，軟件模型，設備間具備優(yōu)異的兼容性。兼容性才是王道，廠商就可以用一個標準包打天下。

圖 1?1 PCIe 互聯(lián)架構(gòu)

PCIe 的幀格式如下圖所示。幀由 1 字節(jié)的幀起始、2 字節(jié)的序列號、16 或 20 字節(jié)的報頭、0 到 4096 字節(jié)的數(shù)據(jù)字段、0 到 4 字節(jié)的 ECRC 字段、4 字節(jié)的 LCRC、和 1 字節(jié)的幀結(jié)束。數(shù)據(jù)字段中傳輸?shù)奈粩?shù)越少，開銷就越大。零字節(jié)數(shù)據(jù)字段會導致 100% 的開銷，因為沒有傳輸數(shù)據(jù)。

圖 1?2 幀格

RapidIO定義了一種高性能、分組交換互連技術(shù)，用于在微處理器、DSP、通信和網(wǎng)絡處理器、系統(tǒng)內(nèi)存和外圍設備之間傳遞數(shù)據(jù)和控制信息。RapidIO 適用于點對點的設備間通訊，不需要經(jīng)過一個中央處理器進行調(diào)度，就可以完成設備間的通訊，并且包長度簡單，效率相對于PCIe要更高，有效數(shù)據(jù)傳輸速度更快。但是RapidIO沒有定義標準的軟件模型，這就導致廠家之間的設備大概率無法兼容，從而只能在某些領(lǐng)域進行部署，不易推廣。

圖 1?3 RapidIO 互聯(lián)架構(gòu)

RapidIO 由于比PCIe更簡單、更高效、延遲更低等特點，已經(jīng)在嵌入式領(lǐng)域、圖像處理、通訊系統(tǒng)、軍工航天有了大量的應用。

我們來看一個應用場景，在醫(yī)學影像等圖像處理領(lǐng)域，經(jīng)常需要擴展單塊DSP、FPGA的計算能力，這時候需要將多個DSP或者FPGA通過高速串口進行互聯(lián)，此時RapidIO就是當前互換性最好的一個最佳選擇，因為PCIe太過復雜，Xilinx的Auraro效率也不滿足要求，并且互換性不好。

我們來看一下在RapidIO之前，實現(xiàn)多個DSP系統(tǒng)互聯(lián)的方法：

圖 1?4 多個DSP設備通過網(wǎng)絡互聯(lián)

圖 1?5 多個DSP設備可以通過RapidIO 實現(xiàn)任意互聯(lián)通訊

2 可用的驗證硬件

目前具備SRIO接口的硬件不多，我們推薦2類可用的開發(fā)板：

1、創(chuàng)龍科技開發(fā)的TI DSP開發(fā)板 也可用于評估EMIF等接口

2、Xilinx 的KC705等具備高速GTX/GTP接口的開發(fā)板，Xilinx提供了兼容SRIO 2.2的IP可供評估；

審核編輯：湯梓紅