利用串行RapidIO實(shí)現(xiàn)FPGA協(xié)處理

利用串行RapidIO實(shí)現(xiàn)FPGA協(xié)處理

為了支持“三重播放”應(yīng)用，人們對(duì)高速通信和超快速計(jì)算的需求日益增大，這向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)師、算法開(kāi)發(fā)師和硬件工程師等人員提出了新的挑戰(zhàn)，要求他們將各種標(biāo)準(zhǔn)、組件和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備融合成一個(gè)整體

?????? 同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員不但要跟上日益提高的性能需求，還得注意保持成本低廉有效利用基于串行RapidIO的FPGA作為DSP協(xié)處理器就能達(dá)到這些目的

　　由于三重播放應(yīng)用集合了話音、視頻和數(shù)據(jù)應(yīng)用，因此必須采用新算法來(lái)設(shè)定其開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化策略的參數(shù)其間，開(kāi)發(fā)人員要解決以下問(wèn)題：構(gòu)造可調(diào)整可擴(kuò)展的架構(gòu)、支持分布式處理、采用基于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，以及針對(duì)性能和成本進(jìn)行優(yōu)化

　　仔細(xì)研究一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，為滿足應(yīng)用需求而要、面對(duì)的這些挑戰(zhàn)主要涉及兩個(gè)主題：一是連接性，從本質(zhì)上說(shuō)就是實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、板卡和系統(tǒng)之間的“快速”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移；二是計(jì)算能力，指設(shè)備、板卡和系統(tǒng)中分別可用的處理資源

??????? 運(yùn)算平臺(tái)之間的連接

　　基于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)通常比“自由發(fā)揮”的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單得多，也是今天的典型設(shè)計(jì)模式并行連接標(biāo)準(zhǔn)(PCI、PCI-X、EMIF等)雖能滿足當(dāng)前需求，但若考慮到可調(diào)整性和可擴(kuò)展性就有所不足了隨著分組處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，連接標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)顯然傾向于高速串行連接從圖1中就能看出這一趨勢(shì)

　　諸如PCIe和GbE/XAUI之類的高速串行標(biāo)準(zhǔn)在臺(tái)式機(jī)和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)已有應(yīng)用但無(wú)線通信設(shè)施中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)互連方面的要求又稍有不同，它要求：
　　1. 管腳數(shù)少；
　　2. 需進(jìn)行底板以及芯片到芯片的連接；
　　3. 帶寬和速度可調(diào)；
　　4. 具備DMA和消息傳遞功能；
　　5. 支持復(fù)雜可調(diào)整的拓?fù)洌?br /> 　　6. 支持多點(diǎn)傳送；
　　7. 高度可靠；
　　8. 支持當(dāng)日時(shí)間(time of day)同步；
　　9. 可提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)

　　　????????????????????????????? 圖1：向串行連接的發(fā)展趨勢(shì)

　　串行RapidIO (SRIO)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)可輕松滿足以上大部分要求，甚至超出這些要求的標(biāo)準(zhǔn)因此，串行RapidIO已成為無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)備中用于數(shù)據(jù)層(data plane)互連的主流連接技術(shù)SRIO網(wǎng)絡(luò)建立在兩個(gè)“基本模塊”基礎(chǔ)之上：端點(diǎn)設(shè)備(Endpoint)和交換設(shè)備(Switch)端點(diǎn)設(shè)備負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)包，交換設(shè)備負(fù)責(zé)在端口之間傳遞數(shù)據(jù)包，但不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的解釋圖2給出了SRIO網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊
　　　　　　　　　　　　　

???????????????????????????????????????? 圖2：SRIO網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊

　　按規(guī)范定義，串行RapidIO有用3層架構(gòu)，如圖3所示
　　　　　　　　　　

??????????????????????????????????????????????????? 圖3：SRIO架構(gòu)

????? 其中包含：
　　

??????? 物理層——負(fù)責(zé)描述器件級(jí)接口規(guī)范，例如分組傳輸機(jī)制、流量控制、電特性以及低級(jí)錯(cuò)誤管理

??????? 傳輸層——為在不同端點(diǎn)設(shè)備之間傳送分組提供路由信息交換設(shè)備以基于器件的路由方式工作于傳輸層
　　

??????? 邏輯層——定義總體的協(xié)議和分組格式每個(gè)分組最多包含256字節(jié)的載荷事務(wù)通過(guò)Load、Store或DMA操作來(lái)訪問(wèn)大小為34/50/66比特的地址空間

　　SRIO有多種優(yōu)點(diǎn)一個(gè)運(yùn)行于3.125 Gbps的4通道SRIO鏈路能在完全保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的前提下提供10 Gbps的流量SRIO與微處理器總線類似，它在硬件中完成存儲(chǔ)器和器件尋址以及分組處理這不但大大降低了用于I/O處理的開(kāi)銷，減小了延遲，也增大了其相對(duì)于其他總線接口的系統(tǒng)帶寬但與大多數(shù)其他總線接口不同的是，SRIO接口的引腳數(shù)很少，而且其基于高速串行鏈路的可調(diào)整帶寬可在1.25 - 3.125 Gbps范圍內(nèi)調(diào)整圖4為SRIO規(guī)范的圖解
　　　　　　

　　　????????????????????????????????????????????? 圖4：SRIO規(guī)范
?????? 平臺(tái)中的運(yùn)算資源

　　有了可配置的處理資源，開(kāi)發(fā)人員就可以用硬件實(shí)現(xiàn)他們的應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)壓縮和加密算法甚至過(guò)去只在軟件中實(shí)現(xiàn)的整套防火墻和保密應(yīng)用，如今都可以在硬件上實(shí)現(xiàn)但這樣做需要具備共享帶寬和強(qiáng)大處理能力的大型并行生態(tài)系統(tǒng)，也就是說(shuō)，要求利用CPU、NPU、FPGA和/或ASIC進(jìn)行共享式或分布式處理構(gòu)建此類系統(tǒng)時(shí)，對(duì)運(yùn)算資源的一些要求包括：

??????1. 支持復(fù)雜拓?fù)涞姆植际教幚砟芰Γ?
??????2. 高度可靠的直接對(duì)等通信能力；?
??????3. 多個(gè)異構(gòu)操作系統(tǒng)；?
??????4. 通過(guò)多個(gè)異構(gòu)操作系統(tǒng)支持通信數(shù)據(jù)層；?
??????5. 具有廣泛生態(tài)系統(tǒng)支持的模塊化和可擴(kuò)展平臺(tái)

　　SRIO協(xié)議規(guī)范和架構(gòu)支持嵌入式和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域中運(yùn)算設(shè)備的不同要求有了SRIO，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性，部署達(dá)到運(yùn)營(yíng)商級(jí)可靠度、具備高級(jí)流量管理功能，并具有高性能和高吞吐量的可擴(kuò)展系統(tǒng)此外，廣泛的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)也更方便設(shè)計(jì)師采用現(xiàn)貨元件構(gòu)造SRIO系統(tǒng)SRIO是一種基于分組的協(xié)議，它支持：

?????? 1. 采用分組操作(包括讀、寫(xiě)和消息傳遞)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)搬移；?
??????2. I/O非一致性功能和緩存一致性功能；?
??????3. 通過(guò)支持?jǐn)?shù)據(jù)流傳送和SAR功能實(shí)現(xiàn)高效的互通和協(xié)議封裝；?
??????4. 通過(guò)支持?jǐn)?shù)百萬(wàn)條數(shù)據(jù)流、256種流量類別和有損操作實(shí)現(xiàn)一種流量管理架構(gòu)；?
??????5. 支持多事務(wù)請(qǐng)求流(包括配置QoS)的流量控制；?
??????6. 為減少帶寬分配、事務(wù)預(yù)定和死鎖避免等問(wèn)題而支持優(yōu)先級(jí)劃分；?
??????7. 通過(guò)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、配置和學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?樹(shù)型和網(wǎng)格型)和任意拓?fù)?菊鏈)等多種硬件拓?fù)浞绞降闹С?，包括支持多個(gè)主機(jī)；?
??????8. 錯(cuò)誤管理和分類(可恢復(fù)、通知和嚴(yán)重)

??????串行RapidIO的IP方案

　　為了在通過(guò)邏輯(I/O)和傳輸層IP上的目標(biāo)接口和源接口收發(fā)用戶數(shù)據(jù)時(shí)支持完全兼容的最大載荷操作，Xilinx等廠商根據(jù)最新的RapidIO v1.3規(guī)范設(shè)計(jì)了其端點(diǎn)IP解決方案

　　圖5所示是Xilinx的一套完整的SRIO端點(diǎn)IP方案，它包含以下組成部分：

??????1. LogiCORE RapidIO 邏輯 (I/O)和傳輸層IP；?
??????2. 緩沖層參考設(shè)計(jì)；?
??????3. LogiCORE串行RapidIO物理層IP；?
??????4. 寄存器管理器參考設(shè)計(jì)

　　　　　　　??????????? 圖5：Xilinx的 SRIO端點(diǎn)IP架構(gòu)

?????? IP架構(gòu)

　　Xilinx提供了緩沖層參考設(shè)計(jì)的源代碼，該設(shè)計(jì)可完成分組的自動(dòng)排隊(duì)和優(yōu)先級(jí)重新劃分SRIO物理層IP可以實(shí)現(xiàn)鏈路訓(xùn)練和初始化、發(fā)現(xiàn)和管理以及錯(cuò)誤與重試恢復(fù)機(jī)制此外，在該物理層IP中還對(duì)高速收發(fā)器進(jìn)行了實(shí)例化，以便支持線速為1.25Gbps、2.5Gbps和3.125Gbps 的1通道和4通道SRIO總線連接

　　該方案中提供的寄存器管理器參考設(shè)計(jì)允許SRIO主設(shè)備對(duì)端點(diǎn)設(shè)備配置、鏈路狀態(tài)、控制和超時(shí)機(jī)制進(jìn)行配置和維護(hù)另外，該寄存器管理器還提供了可讓用戶設(shè)計(jì)探測(cè)端點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)的端口

　　LogiCORE則提供了完整的端點(diǎn)IP該IP已通過(guò)業(yè)界領(lǐng)先SRIO器件廠商的測(cè)試用戶可通過(guò)Xilinx CoreGen GUI工具獲得LogiCORECoreGen工具可以幫助用戶配置波特率和端點(diǎn)LogiCORE支持流量控制、重傳抑制、門鈴和消息傳遞等擴(kuò)展特性因此，用戶可以創(chuàng)建一套專門針對(duì)應(yīng)用需求優(yōu)化了的靈活、可調(diào)整和定制化的SRIO端點(diǎn)IP

　　利用Xilinx和其他廠商提供的大多數(shù)高性能FPGA中的各種資源，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師就能輕松創(chuàng)建并部署其智能方案，以增強(qiáng)產(chǎn)品在上市時(shí)間、可調(diào)整性、可擴(kuò)展性、適應(yīng)未來(lái)發(fā)展等各方面的優(yōu)勢(shì)下面給出了一些采用SRIO和DSP技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

??????? SRIO系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

　　1.嵌入式系統(tǒng)：像x86這樣的CPU結(jié)構(gòu)是針對(duì)那些無(wú)需進(jìn)行大量乘法運(yùn)算的一般應(yīng)用優(yōu)化過(guò)的相比而言，DSP結(jié)構(gòu)則是針對(duì)包括濾波、FFT、矢量乘法和查找以及圖像或視頻分析等信號(hào)處理操作優(yōu)化過(guò)的

　　因此，同時(shí)采用CPU和DSP的嵌入式系統(tǒng)可以輕松利用通用處理器和信號(hào)處理器兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)圖6給出了一個(gè)此類系統(tǒng)的例子，其中同時(shí)包含F(xiàn)PGA、CPU和DSP架構(gòu)

　　　　　???????????? 圖6：基于CPU的高性能DSP子系統(tǒng)

　　在高端DSP中，串行RapidIO已成為主流數(shù)據(jù)互連方式x86 CPU中主要的數(shù)據(jù)互連則采用PCI Express實(shí)現(xiàn)如圖6所示，對(duì)FPGA進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的配置，就能用它調(diào)整DSP應(yīng)用的規(guī)模，和/或橋接幾種完全不同的互連標(biāo)準(zhǔn)(如PCI Express 和串行RapidIO)

　　在該系統(tǒng)中，管理PCI Express系統(tǒng)的是Root Complex芯片組，SRIO系統(tǒng)則受一塊DSP管理PCIe的32/64位地址空間(基地址)可自動(dòng)映射至34/66位SRIO地址空間(基地址)PCIe應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)存或I/O讀寫(xiě)與Root Complex芯片組通信這些事務(wù)均可通過(guò)流寫(xiě)入、原語(yǔ)和確認(rèn)讀/寫(xiě)事務(wù)(SWRITEs ATOMIC NREADs NWRITE/NWRITE_Rs)等I/O操作輕松映射至SRIO空間

　　在Xilinx的FPGA中設(shè)計(jì)此類橋接功能非常簡(jiǎn)單，因?yàn)镻CI Express的后端接口和串行RapidIO端點(diǎn)的功能模塊是類似的分組隊(duì)列模塊隨后就可以實(shí)現(xiàn)從PCIe到SRIO或從SRIO向PCIe的轉(zhuǎn)換，從而在這兩個(gè)協(xié)議域之間建立數(shù)據(jù)流

　　2.DSP處理應(yīng)用：在那些DSP處理是主要架構(gòu)要求的應(yīng)用中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可按圖7所示方式設(shè)計(jì)

　　　　　　　?????????? 圖7：需要強(qiáng)大DSP處理能力的器件

???????? Xilinx Virtex-5 FPGA在該系統(tǒng)中就可用作其他DSP器件的協(xié)處理器如果用SRIO進(jìn)行數(shù)據(jù)互連，這整套DSP系統(tǒng)方案還可輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)整這樣的方案具備可擴(kuò)展性，適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展，而且還能以多種外形尺寸實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)需要強(qiáng)大DSP功能的應(yīng)用還需要進(jìn)行快速大量的復(fù)雜運(yùn)算或數(shù)據(jù)處理時(shí)，可以將這些處理任務(wù)卸載至x86 CPU中去運(yùn)行Xilinx Virtex-5 FPGA允許對(duì)PCIe子系統(tǒng)和SRIO結(jié)構(gòu)進(jìn)行橋接，從而實(shí)現(xiàn)高效的功能卸載

　　3. 基帶處理系統(tǒng)

?????? 隨著3G網(wǎng)絡(luò)快速成熟，OEM廠商將會(huì)采用新的外形尺寸的器件和設(shè)備來(lái)減少容量和覆蓋方面的問(wèn)題，使用SRIO并基于FPGA的DSP架構(gòu)正是應(yīng)對(duì)此類挑戰(zhàn)的絕佳方案?jìng)鹘y(tǒng)DSP系統(tǒng)也可重新調(diào)整為這種快速低功耗的基于FPGA的結(jié)構(gòu)，以便充分利用FPGA的可調(diào)整性優(yōu)勢(shì)

　　在此類系統(tǒng)中，如圖8所示，F(xiàn)PGA可以在滿足天線業(yè)務(wù)線速處理要求的同時(shí)通過(guò)SRIO為其他系統(tǒng)資源提供連接而由于串行RapidIO協(xié)議提供的速度和帶寬均很高，所以那些內(nèi)部固有低速并行連接的現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)DSP應(yīng)用要移植到這類系統(tǒng)中也很簡(jiǎn)單

　　　　　　　　　??? 圖8：基帶處理

?????? 本文小結(jié)

?????? 串行RapidIO正在越來(lái)越多的新應(yīng)用中嶄露頭角，特別是在采用DSP的有線和無(wú)線應(yīng)用中在Xilinx器件中實(shí)現(xiàn)串行RapidIO主要有以下優(yōu)勢(shì)：?
???????1. Xilinx提供了完整的SRIO端點(diǎn)方案；?
???????2. 可利用同樣的軟、硬件結(jié)構(gòu)，通過(guò)靈活的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同類型的產(chǎn)品；?
???????3. 由于Xilinx器件采用了新型GTP收發(fā)機(jī)和65nm 技術(shù)，因此功耗很低；?
???????4. 通過(guò)CoreGen GUI 可實(shí)現(xiàn)方便的可配置性和靈活性；?
???????5. 由于業(yè)界領(lǐng)先的廠商都有器件支持SRIO連接，因而硬件互通性有保證；?
???????6. 可通過(guò)使用PCIe和TEMAC等集成IO模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，從而降低系統(tǒng)整體成本