Virtex-5 FXT平臺(tái)背景資料

Virtex-5 FXT FPGA – 終極系統(tǒng)集成平臺(tái)
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(shí)間預(yù)算，數(shù)字融合時(shí)代加速了對(duì)FPGA基本價(jià)值主張的依賴性。這些基本價(jià)值主張是：靈活性、現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)能力、優(yōu)異的信號(hào)處理能力、更快的產(chǎn)品上市時(shí)間、降低風(fēng)險(xiǎn)、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(tái)建立在這些豐富價(jià)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(tái)。

Virtex-5 FXT平臺(tái)是唯一結(jié)合了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的550MHz PowerPC® 440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(chǎng)中的高性能應(yīng)用。利用Virtex-5 FXT平臺(tái)，此類應(yīng)用的設(shè)計(jì)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(tái)都是業(yè)界領(lǐng)先的高密度65nm FPGA產(chǎn)品。Virtex-5系列是Virtex系列FPGA的第5代產(chǎn)品?；谄洫?dú)特的ASMBL架構(gòu)，Virtex-5系列提供了四個(gè)領(lǐng)域優(yōu)化的平臺(tái)共24款器件供客戶選擇：
·    LX   – 針對(duì)邏輯應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化
·    LXT – 針對(duì)支持低功耗串行連接邏輯應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化
·    SXT – 針對(duì)支持串行連接的DSP應(yīng)用領(lǐng)域而優(yōu)化
·    FXT – 針對(duì)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(qiáng)的布線技術(shù)支持超快ExpressFabric™ 技術(shù)
·    LXT、SXT和FXT平臺(tái)提供完全集成的PCI Express® 端點(diǎn)模塊
·    LXT、SXT、FXT平臺(tái)提供完全集成的三模式（0/100/1000 Mbps）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(shí)鐘管理管道(CMT) 
·    支持ChipSync技術(shù)的SelectIO 
·    第二代稀疏鋸齒形(Sparse Chevron) 封裝技術(shù)支持增強(qiáng)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-5 FXT平臺(tái)增加的系統(tǒng)集成主要特性包括：
·    完全集成的PowerPC 440處理器模塊和128位互連
·    高性能GTX 6.5 Gbps 串行 I/O
·    XtremeDSP™ 邏輯片 (DSP48E邏輯片)優(yōu)化組合


表1：Virtex-5 FXT產(chǎn)品一覽
 
PowerPC 440處理器模塊
PowerPC 440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(chǎng)中的眾多系統(tǒng)應(yīng)用中，并且經(jīng)受了測(cè)試和驗(yàn)證。Virtex-5 FXT FPGA率先提供了同時(shí)符合兩個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC 440處理器，其增強(qiáng)的系統(tǒng)性能可支持設(shè)計(jì)人員快速容易地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的可升級(jí)嵌入式處理應(yīng)用。每個(gè)處理器集成32KB指令和32KB數(shù)據(jù)緩存，在550MHz時(shí)鐘下可以提供高達(dá)1,100 DMIPS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PowerPC 440處理器緊密耦合，提供并發(fā)I/O和存儲(chǔ)器訪問能力（圖1）。這一高度集成的架構(gòu)支持5個(gè)主PLB（處理器局部總線）接口和兩個(gè)從接口、四個(gè)獨(dú)立收發(fā)全雙工信道DMA端口和一個(gè)專用存儲(chǔ)器總線接口，因此存儲(chǔ)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(gè)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.PowerPC 440模塊包括PowerPC 440內(nèi)核和新的互連架構(gòu)
 
與這一新架構(gòu)形成互補(bǔ)的是，這一平臺(tái)集成的增強(qiáng)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PowerPC 440指令集的指令。這樣就為視頻處理、3D數(shù)據(jù)處理和浮點(diǎn)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-5 FXT平臺(tái)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(gè)全功能RocketIO™ 千兆級(jí)收發(fā)器（GTX)。這些增強(qiáng)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-5 FXT GTX收發(fā)器是目前Virtex-5系列中速度最快的，不僅擴(kuò)展了Virtex-5 LXT和SXT FPGA中得到驗(yàn)證的收發(fā)器架構(gòu)，同時(shí)也方便了在Virtex-5 LXT、SXT & FXT平臺(tái)間的設(shè)計(jì)移植。

在附加高數(shù)據(jù)速率性能的同時(shí)6.5Gbps速率時(shí)每通道消耗的典型功耗只有200mW。當(dāng)運(yùn)行在較低的3.75 Gbps速率時(shí)，每通道功耗僅100mW。

除了更高的串行I/O性能以外，還增強(qiáng)了一些其它關(guān)鍵特性。為提高這些高速信號(hào)的信號(hào)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(bǔ)償。決策反饋均衡器（DFE）是一種非線性均衡器，利用前檢測(cè)決策來消除當(dāng)前解調(diào)脈沖的符號(hào)間干擾（ISI）。DFE的優(yōu)點(diǎn)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(dú)立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流支持全雙工操作。

用于PCI Express®、Gigabit Ethernet 和 XAUI的完整協(xié)議包為設(shè)計(jì)成功提供了一個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)的路徑。該協(xié)議包還可為SONET OC-48/SDH STM-16 和 CPRI (Common Public Radio Interface)提供專用協(xié)議參數(shù)報(bào)告，從而能夠在采用新的串行協(xié)議時(shí)更有信心。每一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議包都包括針對(duì)特定協(xié)議物理層的特性描述報(bào)告、互操作性和兼容性報(bào)告、知識(shí)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(xiǎn)地在Virtex™-5 FPGA中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的高速串行協(xié)議。

系統(tǒng)級(jí)數(shù)字信號(hào)處理
Virtex-5 FXT平臺(tái)的DSP性能對(duì)于其作為終極系統(tǒng)集成平臺(tái)的價(jià)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(gè)數(shù)量級(jí)。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(dú)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(gè)時(shí)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(jì)的MSPS性能。在如此高的DSP性能水平，設(shè)計(jì)人員可以選擇降低FPGA的時(shí)鐘速率來節(jié)省功耗，也可以選擇實(shí)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-5 FPGA 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(yùn)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(shí)現(xiàn)更寬輸入的濾波器，從而使DSP設(shè)計(jì)人員可以獲得更高的性能。Virtex-5 FXT FPGA提供高比率的DSP邏輯片（含高達(dá)384個(gè)內(nèi)建18x25 DSP邏輯片），可以在500MHz時(shí)鐘頻率下提供高達(dá)192 GMACs/秒的性能。與Virtex-4中的18 x 18乘法器相比，Virtex-5 DSP48E邏輯片中的乘法器達(dá)到25 x 18。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(diǎn)運(yùn)算。同時(shí)，DSP48E邏輯片在高精度濾波器工作時(shí)消費(fèi)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。Virtex FPGA提供了兩種互補(bǔ)的方法來構(gòu)建高效的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)： 
·    查找表（LUT）邏輯結(jié)構(gòu)中的存儲(chǔ)器單元構(gòu)成的分布式RAM可以支持實(shí)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)16.5 Mb的存儲(chǔ)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(yàn)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(tái)可提供高達(dá)16.5Mb的內(nèi)部存儲(chǔ)器和163 GBytes/s聚集IO性能的總IO帶寬，可以滿足系統(tǒng)級(jí)要求。

高系統(tǒng)集成度進(jìn)一步提高性能
Virtex-5 FXT FPGA系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)進(jìn)一步提高了性能，這主要是由于整個(gè)平臺(tái)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(gè)獨(dú)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(gè)運(yùn)算操作可同時(shí)進(jìn)行，減少了堵塞和等待時(shí)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-5 FXT平臺(tái)上，新的PowerPC 440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(jì)顯示出縱橫交換式結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)器控制器（構(gòu)造中生成的軟控制器）與存儲(chǔ)器控制器接口（MCI）的典型連接。由于這是一個(gè)獨(dú)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(dú)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(shí)，這一交換構(gòu)造成為DMA引擎與主存儲(chǔ)器的連接路徑。千兆以太網(wǎng)設(shè)計(jì)還利用了Virtex-5 FXT平臺(tái)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-5 FXT平臺(tái)的千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)與基于Virtex-4 FX平臺(tái)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-5 FXT平臺(tái)復(fù)合系統(tǒng)集成應(yīng)運(yùn)而生。這些市場(chǎng)中的客戶對(duì)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(dòng)， 使得器件配置能夠滿足FPGA邏輯、嵌入式處理、DSP、存儲(chǔ)器和串行IO等所有方面的要求。

通信
無線通信市場(chǎng)是一個(gè)變化快速且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiǎn)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 4.采用Virtex-5 FX100T器件的下一代無線基站（LTE）。
 

在這一應(yīng)用中采用賽靈思Virtex-5 FXT FPGA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-5 FX100T器件上實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不同點(diǎn)之間編碼位流的傳輸。與網(wǎng)絡(luò)上非時(shí)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(shí)時(shí)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-5 FXT FPGA是業(yè)界首個(gè)在單個(gè)可編程SOC芯片上實(shí)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(jí)要求 
 

終極設(shè)計(jì)解決方案
很顯然，這一終極系統(tǒng)集成平臺(tái)需要一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境。這一設(shè)計(jì)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(jí)平臺(tái)單元和豐富功能，保證最佳的設(shè)計(jì)生產(chǎn)力和系統(tǒng)性能。 

為此，賽靈思公司推出了ISE™ Design Suite 10.1版軟件套件。該套件為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chǔ)器設(shè)計(jì)和接口以及可定制IP模塊于一體的高級(jí)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(jì)套件集成了多種屢獲殊榮的設(shè)計(jì)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(jì)環(huán)境 
-    ISE Foundation™ 軟件和ISE WebPACK™ 軟件 (免費(fèi)下載)  
-    PlanAhead™ 設(shè)計(jì)和分析工具以及PlanAhead Lite  
-    SmartXplorer™  
    嵌入式處理設(shè)計(jì)環(huán)境  
-    Xilinx Platform Studio 和嵌入式開發(fā)套件（ Embedded Development Kit (EDK)）  
    DSP設(shè)計(jì)環(huán)境  
-    System Generator for DSP   
-    AccelDSP™ Synthesis Tool  
    平臺(tái)調(diào)試支持  
-    ChipScope™ Pro 工具   
-    ChipScope Pro 串行 I/O 工具集 

作為 ISE Design Suite的一部分， ISE Foundation軟件是業(yè)界首屈一指的FPGA邏輯設(shè)計(jì)工具集。與ISE Foundation一起提供的還有賽靈思公司PlanAhead設(shè)計(jì)分析工具，為適配到賽靈思FPGA器件的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的分析和布局功能。此外，SmartXplorer技術(shù)則使設(shè)計(jì)人員能夠每天完成更多次物理實(shí)現(xiàn)，同時(shí)性能也可進(jìn)一步提高多達(dá)38%。 

對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Xilinx Platform Studio和嵌入式開發(fā)套件 (EDK)提供了一個(gè)綜合硬件和軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，可加速嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度。

XtremeDSP開發(fā)工具包包括了System Generator for DSP和AccelDSP 綜合工具。利用這些工具，可以方便地將利用The MathWorks™公司廣受歡迎的MATLAB® 和 Simulink® DSP 建模環(huán)境開發(fā)的DSP算法在FPGA硬件中實(shí)現(xiàn)。

ChipScope Pro可通過針對(duì)“平臺(tái)”器件的調(diào)試，能夠發(fā)現(xiàn)深藏在硬件和軟件之中的嵌入式缺陷。ChipScope Pro Serial I/O工具集支持用戶快速評(píng)估和測(cè)量高速串行I/O通道的位錯(cuò)率（BER）。 

總結(jié)
系統(tǒng)集成對(duì)于電子行業(yè)來說始終是一項(xiàng)具有戰(zhàn)略意義的價(jià)值無法衡量的基本方法。通過系統(tǒng)集成可以降低成本、提高性能并使系統(tǒng)級(jí)技術(shù)走向下一個(gè)里程碑，將原來需要整整一個(gè)機(jī)箱才能完成的工作縮小到電路板大小，將電路板實(shí)現(xiàn)的功能集成到IC（ASIC和ASSP）中。    

結(jié)合FPGA的靈活性和可編程能力這些基本優(yōu)勢(shì)，嵌入式處理、DSP性能和高速串行連接能力的強(qiáng)大融合使得賽靈思公司的最新產(chǎn)品Virtex-5 FXT FPGA成為終極系統(tǒng)集成平臺(tái)。