VPX技術(shù)介紹參考模板

1、VPX技術(shù)介紹 1VPX 技術(shù) 新型VPX(VITA 46)標(biāo)準(zhǔn)是自從VME引入后的25年來(lái)，對(duì)于VME總線(xiàn)架構(gòu)的最重大也是最重要的改進(jìn)。它將增加背板帶寬，集成更多的I/O，擴(kuò)展了格式布局。 目前，VME64x已經(jīng)不能滿(mǎn)足國(guó)防和航空領(lǐng)域越來(lái)越高的性能要求和更為惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。許多應(yīng)用，例如雷達(dá)，聲納，視頻圖像處理，智能信號(hào)處理等，由于受到VME64x傳輸帶寬的限制，系統(tǒng)性能無(wú)法進(jìn)一步提高。急需要一種新體制的總線(xiàn)，替代現(xiàn)有的VME64x總線(xiàn)，以提高系統(tǒng)傳輸帶寬。  2B1. VPX標(biāo)準(zhǔn)概述 VITA 46基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)由VITA46.0（基礎(chǔ)協(xié)議）和VITA46.1（VME連接）

2、描述，也稱(chēng)為VPX，并成功地于2006年一月引入。這是一個(gè)里程碑，因?yàn)槲覀兛梢源_信VITA46標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)出來(lái)了。下一步是完成最終文檔，并且提交ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織）得到正式ANSI批準(zhǔn)。  9B1.1 VPX高速串行總線(xiàn) VPX總線(xiàn)是VME技術(shù)的自然進(jìn)化，它采用高速串行總線(xiàn)替代并行總線(xiàn)是其的最主要變化。VPX采用RapidIO和Advanced Switching Interconnect等現(xiàn)代的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的串行交換結(jié)構(gòu)，來(lái)支持更高的背板帶寬。這些高速串行交換可以提供每個(gè)差分對(duì)兒250MBytes/sec的數(shù)據(jù)傳輸率。如果4個(gè)信道最高1 GBytes/sec的理論速率。

3、VPX的核心交換提供32個(gè)查分對(duì)兒，組成4個(gè)4信道端口，每個(gè)信道都是雙向的（一發(fā)送差分對(duì)兒，一接收差分兒）。VPX模塊的理論合計(jì)帶寬為8 GB/sec。 當(dāng)今基于VME總線(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)陣列中的每個(gè)系統(tǒng)處理器，都必須等待輪到該處理器獲得總先后才能發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣不僅僅使處理器終止了對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的處理，同時(shí)還終止了處理器對(duì)輸入數(shù)據(jù)的處理。 交換結(jié)構(gòu)使所有數(shù)據(jù)流暢通無(wú)阻，來(lái)解決這一問(wèn)題，這樣減小了處理延遲和輸入數(shù)據(jù)流的中斷。 StarFabric是一個(gè)串行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，他利用現(xiàn)有的VME-64背板鏈接嵌入式多處理器。可是，VME64X接口的物理特性限制限制了它將來(lái)的發(fā)展。在VITA46開(kāi)發(fā)以前，雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)始面

4、臨主卡的性能的制約。VME主卡其中兩個(gè)最嚴(yán)重的限制是每個(gè)插槽上通過(guò)信號(hào)針的數(shù)據(jù)量限制，以及嚴(yán)重的功率浪費(fèi)。VITA46通過(guò)采用高速連接器和支持先進(jìn)的交換結(jié)構(gòu)，著重解決了這兩個(gè)問(wèn)題。 由于采集的數(shù)據(jù)頻率越高，圖像效果越好。隨著雷達(dá)數(shù)據(jù)管道變得越來(lái)越大，VPX將成為解決這些新需求的新技術(shù)。  10B1.2 VPX接插件 VPX采用了由Tyco公司開(kāi)發(fā)出了模塊化的VPX RT2連接器，該連接器內(nèi)含可控阻抗，低插入損耗，在最高6.25 Gbaud下，串?dāng)_小于3%。Tyco公司生產(chǎn)的獨(dú)特的新7排RT2連接器，與級(jí)聯(lián)塊兒和鍵一起，實(shí)現(xiàn)VITA 46模塊和背板設(shè)計(jì)。VITA 46選擇RT2連接器的

5、目的是為了解決以下問(wèn)題： - 連接器必須可以發(fā)送信號(hào)至少5 Gbits/sec - 連接器必須提供充足的I/O，適應(yīng)現(xiàn)代主卡上日益增加的功能。 -連接器的尺寸必須能夠滿(mǎn)足VME標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，以便可以安裝PMC模塊，能夠保證0.8英寸的板間距。2 / 32 -連接器系統(tǒng)必須足夠牢固，這樣在軍事/航空系統(tǒng)的惡劣環(huán)境中才能應(yīng)用。 VITA 46模塊插入和拔出力量與VME64X模塊相近。這是因?yàn)殡m然VITA46擁有更多的接觸點(diǎn)，但是Tyco公司的MultiGig RT2連接器使得每個(gè)接觸點(diǎn)壓力降低而又能保證充分的接觸。以上結(jié)論都是建立在連接器機(jī)械結(jié)構(gòu)評(píng)估和測(cè)試基礎(chǔ)上得來(lái)的。 VITA

6、46 工作組對(duì)最終交付使用的VPX連接器，為VPX模塊標(biāo)準(zhǔn)做了大量的測(cè)試認(rèn)證。這些測(cè)試再現(xiàn)了一些最苛刻的環(huán)境測(cè)試，執(zhí)行了板級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 主要環(huán)境參數(shù)測(cè)試包括如下： - 振動(dòng)及顫動(dòng) - 溫度 -適度 - 沙塵 - 耐久 - 靜電保護(hù)  11B1.3 VPX的I/O能力 VPX擁有著更多的I/O能力，其數(shù)量幾乎是64X類(lèi)型卡的兩倍。所有的I/O針都有千兆傳輸能力，最高到6.25 Gig/Sec。并且有輔助的VITA 48標(biāo)準(zhǔn)選擇，使得每個(gè)插槽可以插更高功率的板子。與傳統(tǒng)的VME技術(shù)比VPX的針腳數(shù)要多，一般的6U VPX模塊可以提供： 總共7

7、07個(gè)非電源電觸電 總共464個(gè)信號(hào)： 64個(gè)信號(hào)，用于核心交換的32個(gè)高速差分對(duì) 104個(gè)信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)VME64的 268個(gè)通用用戶(hù)I/O，其中包括128個(gè)高速差分對(duì)兒。 28個(gè)信號(hào)，用于作系統(tǒng)信號(hào)（重啟，JTAG，尋址等），其余未使用。 VPX提供最高32個(gè)網(wǎng)絡(luò)交換針，這些針的作用： -得到更多的吞吐量 -提升性能 -實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) -減少插槽數(shù) -無(wú)需交換插槽 -節(jié)省空間和降低重量 12B1.4 VPX的電源改進(jìn) VPX改進(jìn)了電源供電。5V最高可達(dá)115W，12V最高可達(dá)384W，48V最高可達(dá)768W。 如此大功率的電源，允許板子集成更多的功能?？蛇x的更高的電壓輸入，可以減少背板的

8、電流，降低重量和降低電子兼容問(wèn)題產(chǎn)生。  3B2. VPX高速串行總線(xiàn) 新串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)使得軍用和航空嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)得到更高的性能，同時(shí)減少系統(tǒng)成本和重量。如今有多種高性能交換結(jié)構(gòu)技術(shù)可供選擇。這其中的三個(gè)Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，優(yōu)點(diǎn)最多。GbE是基于IP數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論是平臺(tái)間網(wǎng)絡(luò)還是在同一個(gè)背板中的子系統(tǒng)。SRIO是DSP應(yīng)用中高密度多處理簇互聯(lián)的最好方式。第三種，PCIe事實(shí)上已經(jīng)是，核心處理器到外圍設(shè)備高帶寬數(shù)據(jù)流傳輸應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。圖1展示了嵌入式

9、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的概念。  因?yàn)椴豢赡苡幸环N網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可以滿(mǎn)足國(guó)防和航空嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中所有的需求，所以業(yè)界各大特種計(jì)算機(jī)公司提出了分層（hierarchy）解決方案使用GbE作為平臺(tái)間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且使用SRIO和PCIe作為底板總線(xiàn)交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。使用這種方式，國(guó)防和航空系統(tǒng)集成商可以在他們系統(tǒng)中應(yīng)用交換結(jié)構(gòu)技術(shù)。  GbE，SRIO以及PCIe各有優(yōu)勢(shì)，如果將這些交換結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起應(yīng)用于嵌入式軍用系統(tǒng)中，將形成功一種新的能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)應(yīng)用，主要的芯片，板子大量真實(shí)評(píng)估，以及主板整體設(shè)計(jì)，一種被稱(chēng)為VPX新的高性能底板問(wèn)世。無(wú)論客戶(hù)應(yīng)用采用分布的、集中的，還是混合的網(wǎng)絡(luò)

10、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種存在多種網(wǎng)絡(luò)交換的計(jì)算平臺(tái)，允許用戶(hù)選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)。  GbE可以應(yīng)用于松散耦合系統(tǒng)的鏈接，SRIO, PCIe,或兩個(gè)結(jié)合使用適合于處理器，外圍設(shè)備以及板卡之間的緊密耦合通信簇。用戶(hù)可以使用1/10GbE交換網(wǎng)絡(luò)建立Intra-Platform Network(IPN)來(lái)有效的傳輸IPv4/v6信息包，用戶(hù)可以使用標(biāo)準(zhǔn)的電纜連接不同的系統(tǒng)，或者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)底板進(jìn)行板子與處理器間傳輸（參看圖1）。SRIO更適用于組建網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用，PCIe更適用于核心處理器到外圍設(shè)備的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸。  13B2.1高性能網(wǎng)絡(luò)1/10 Gbe

11、交換  以太網(wǎng)是目前最普遍的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)通信的起始和重點(diǎn)都有以太網(wǎng)連接。這種商業(yè)領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用正在影響軍用市場(chǎng)，找到某種方式將網(wǎng)絡(luò)中心引入加固國(guó)防應(yīng)用市場(chǎng)。  Network Centric Warfare (NCW)學(xué)說(shuō)的實(shí)現(xiàn)推動(dòng)了高帶寬、高可靠的IP網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)通信的發(fā)展。隨著國(guó)防部對(duì)利用現(xiàn)有資源無(wú)縫連接到全球網(wǎng)絡(luò)的迫切需求，1-GbE網(wǎng)絡(luò)交換已經(jīng)成為鏈接機(jī)箱和鏈接板子，組建今天高帶寬IP平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的首選。  將來(lái)的技術(shù)轉(zhuǎn)向1/10Gbe網(wǎng)絡(luò)是很自然的事情，它是一種高速網(wǎng)絡(luò)的解決方案，足可以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的苛刻應(yīng)用需求。為了滿(mǎn)足有效地在平臺(tái)資源間傳輸音頻

12、，視頻，控制及管理數(shù)據(jù)的需求，支持IPv4/v6的1/10 Gbe提供了統(tǒng)一的方法來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。  通過(guò)簡(jiǎn)單的在原來(lái)系統(tǒng)上增加交換機(jī)或PMC交換卡，在VME64x機(jī)箱里組建星型或雙-星型網(wǎng)絡(luò)來(lái)升級(jí)原有系統(tǒng)。采用VPX背板的新系統(tǒng)不僅可以允許1 GBE接口，還可以允許10 GBE接口通過(guò)背板路由，這樣很容易增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。  對(duì)于高性能網(wǎng)絡(luò)，VPX系統(tǒng)采用類(lèi)似于VME64X系統(tǒng)的集中交換結(jié)構(gòu)，（例如一個(gè)VPX交換/路由卡或者一個(gè)X/PMC交換卡）通過(guò)GbE連接機(jī)箱中的板子，機(jī)箱可以采用銅或者光介質(zhì)鏈接，組建分布式或集中式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（參看圖2）。 雖然有很多現(xiàn)行的GbE

13、標(biāo)準(zhǔn)，其中的最流行的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和特性包括：  1000BaseT，一般用于銅介質(zhì)背板進(jìn)行板間或處理器間通信。1000BaseSX(1 Gb/s)一般用于光介質(zhì)傳輸。XAUI一般用于堆?；蛘咦鳛閿?shù)據(jù)干路的10 GbE交換卡。 每個(gè)GbE接口是10 Mb/s, 100 Mb/s,和1 Gb/s自適應(yīng), 或者通過(guò)鏈接代理得到多種速率，提供高性能連接。 以太網(wǎng)未來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)發(fā)展到背板上支持802.3ap (一個(gè)信道的1000Base,四個(gè)信道的10GBaseKX4以及一個(gè)信道的10GBaseKR)。 新一代1/10 GbE交換芯片將很快投入市場(chǎng)，每個(gè)口運(yùn)行速度可以在1,2.5,5,和10 Gb

14、/s。 優(yōu)化的1和10 GbE NIC芯片即將投入市場(chǎng)，它可以通過(guò)遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(wèn)(RDMA)和TCP卸載引擎（TOE)消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸(舉例來(lái)說(shuō)：一個(gè)10 GbE RDMA/TOE NIC芯片可以達(dá)到800-MBytes/s，并且占用最小的處理器周期進(jìn)行大的數(shù)據(jù)傳輸)  由于采用RDMA和TOE技術(shù)減輕了1/10 GbE終端節(jié)點(diǎn)的瓶頸和TCP/IP協(xié)議握手所花費(fèi)的處理器額外負(fù)載，使得GbE還可以應(yīng)用到低延遲，高吞吐量和確定操作的嵌入式高性能聚合應(yīng)用中。  在商業(yè)領(lǐng)域中，1 GbE 和10 GbE 能否迅速的應(yīng)用到大多數(shù)主要的軍用平臺(tái)的決定因素，是降低成本提高性能。  

15、;14B2.2 串行RapidIO 發(fā)展壯大  SRIO, 高速串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，正在多處理器信號(hào)處理應(yīng)用例如雷達(dá)，聲納，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別以及信號(hào)智能等高性能數(shù)據(jù)傳輸扮演越來(lái)越重要的角色。SRIO綜合了許多的重要特性，使它比PCI Express和以太網(wǎng)更適合組建大量的處理器間通信的大型多處理器系統(tǒng)。采用傳統(tǒng)的StarFabric或者Race+連接技術(shù)構(gòu)造系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們發(fā)現(xiàn)，他們的下一代產(chǎn)品如果使用基于SRIO產(chǎn)品開(kāi)發(fā)會(huì)很容易成功。SRIO特性包括：  每組包括一個(gè)發(fā)差分兒送及一個(gè)接收差分兒（稱(chēng)為一個(gè)信道）1.25,2.5,或者3.125 Gb/s信號(hào)速率，每個(gè)信道單方向最高可以

16、到312.5 Mbytes/s 每個(gè)SRIO口可以有一個(gè)或者四個(gè)信道， 每個(gè)口單方向最高的理論數(shù)據(jù)速度為1.25Gbytes/s 8B/10B編碼以，端對(duì)端封包CRC校驗(yàn) 四級(jí)優(yōu)先權(quán) 采用消息和門(mén)鈴方式進(jìn)行有效的處理器間通信。用于高可靠應(yīng)用的冗余路由。  SRIO在建立多處理器系統(tǒng)時(shí)，與同類(lèi)產(chǎn)品相比較有很多不同。SRIO為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)，支持尋址模型，支持消息傳輸?shù)确绞酱_保高效、快速的數(shù)據(jù)傳輸。串行RapidIO系統(tǒng)可以構(gòu)造任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這對(duì)構(gòu)建變化多端的數(shù)據(jù)流DSP系統(tǒng)是非常重要的。  最近軍事及航空信號(hào)處理市場(chǎng)最重要的變化是VPX模塊格式的引入。VPX格式協(xié)議（包含VI

17、TA 46及附件VPXREDI/ VITA 48）利用現(xiàn)代高速串行接口的性能，建立了一個(gè)新的COST標(biāo)準(zhǔn)。VSO組織標(biāo)準(zhǔn)定義了VME-以及cPCI-兼容的3U-和6U-尺寸模型，使用當(dāng)今高速串行網(wǎng)絡(luò)比如說(shuō)SRIO的信號(hào)速度的現(xiàn)代背板連接器。VPX標(biāo)準(zhǔn)基于"核心網(wǎng)絡(luò)"連接器的概念，充當(dāng)板間通信媒介，也就是我們常說(shuō)的"交換串行背板"。在VPX中，核心網(wǎng)絡(luò)包含4個(gè)四信道 SRIO口。在SRIO 3.125 Gb/s的信號(hào)速率時(shí)，VPX板可以訪問(wèn)5 Gbytes/s發(fā)送和5 Gbytes/s接收，總共10 Gbytes/s的通信帶寬。當(dāng)前，幾個(gè)領(lǐng)先的嵌入式廠商包

18、括Curtiss-Wright已經(jīng)發(fā)布基于SRIO連接的VPX產(chǎn)品。標(biāo)準(zhǔn)的6U格式，參看圖3（研祥VPX-1811） 15B2.3 PCI Express: 高性能接口  PCIe接口普遍應(yīng)用于商用桌面電腦，筆記本及服務(wù)器中。在大量PC應(yīng)用中，PCIe的普及有助于降低PCIe交換芯片和PCIe外圍設(shè)備的成本。尤其最近，PCIe開(kāi)始移植到先進(jìn)的單板計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器模塊中，部署于軍用及航空應(yīng)用設(shè)計(jì)中。由于在PC市場(chǎng)的普及，使得低成本成為優(yōu)勢(shì)，技術(shù)上說(shuō)，PCIe確實(shí)是一種先進(jìn)的連接技術(shù)。它的主要特性包括：  點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信：每個(gè)鏈接（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接）可由1，2，4，8，16，或者3

19、2信道組成。 每個(gè)lane由一個(gè)傳輸和一個(gè)接收對(duì)兒組成，發(fā)信為2.5Gband，理論上數(shù)據(jù)速率為每信道每方向250Mbytes/s，或8信道總合數(shù)據(jù)速率為4 Gbytes/s。 每個(gè)數(shù)據(jù)位采用8B/10B編碼和每個(gè)信息包端對(duì)端CRC提供充分的錯(cuò)誤校驗(yàn)。 它的信息包承認(rèn)協(xié)議，在錯(cuò)誤時(shí)自動(dòng)重發(fā)，提供端對(duì)端可靠數(shù)據(jù)傳輸不需要軟件控制。 數(shù)據(jù)流劃分優(yōu)先次序 它的物理層強(qiáng)制位不規(guī)則性來(lái)降低EMI（消除長(zhǎng)序列1或者0，目的是消除長(zhǎng)電平，強(qiáng)制方波） 它的電信號(hào)層采用了pre-emphasis/de-emphasis來(lái)優(yōu)化信號(hào)完整性，允許低印刷電路和接頭原料成本  商業(yè)PC市場(chǎng)出現(xiàn)了基于PCIe的各

20、種各樣的板子，這些基于PCIe的模塊的標(biāo)準(zhǔn)包括：  標(biāo)準(zhǔn)桌面PC的PCI Express卡 ExpressCard模塊將替代現(xiàn)今的PCMCIA。 PICMG 3.4 (PCIe on AdvancedTCA) PICMG EXP.0 (CompactPCI Express) PICMG AMC.1 (PCIe on Advanced Mezzanine Card) EPIC Express標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)自PC/104 Consortium  由VITA標(biāo)準(zhǔn)組織(VSO)定義的，廣泛應(yīng)用于嵌入式軍事/航空領(lǐng)域中，基于PCIe的模塊標(biāo)準(zhǔn)，以前發(fā)布了幾個(gè)版本。包括先前提及的VPX和VI

21、TA 42。VITA 42（也稱(chēng)為VMC"交換Mezzanine卡"）是廣泛應(yīng)用在VME和CompactPCI PMC格式的擴(kuò)展。VITA42通過(guò)在模塊上增加兩個(gè)高速接頭，擴(kuò)展了最初的PMC協(xié)議，VITA42.3補(bǔ)充協(xié)議定義了PCIe到新的XMC接頭的映射。這樣，兼容VITA42.3-主卡和mezzanine卡可以通過(guò)PCIe進(jìn)行多個(gè)gigabyte/s交換數(shù)據(jù)，VITA42 可以應(yīng)用于諸如高解析度圖像引擎和G sample/秒模擬的數(shù)據(jù)采集模塊等高級(jí)應(yīng)用。  新的VPX模塊標(biāo)準(zhǔn)同樣采用了PCIe。圖4是代表性的VPX模塊，圖解了Tyco Multigig RT2

22、背板接頭和兩個(gè)VITA XMC插槽。   4B3. PowerPC處理器  如今國(guó)防和航空系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們?cè)谶x擇他們下一代DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)有著很多的選擇。DSP和通用處理器市場(chǎng)充斥著各種構(gòu)架的處理器，包括MIPs, X86, ARM和Power構(gòu)架等產(chǎn)品，他們擁有不同的性能、功率和價(jià)格。在眾多選擇中，Power構(gòu)架成為了能滿(mǎn)足軍用航空系統(tǒng)需求的少數(shù)處理器之一。為什么這個(gè)90年代初才引入的構(gòu)架能一直牢牢把握這個(gè)特殊市場(chǎng)呢？他未來(lái)還能一直領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)市場(chǎng)嗎？Power構(gòu)架的演變過(guò)程瞄準(zhǔn)嵌入式應(yīng)用，一直保持低功率、高性能的特點(diǎn)。該構(gòu)架還將繼續(xù)演變，以適應(yīng)未來(lái)更復(fù)雜的應(yīng)用。 16

23、B3.1 Power構(gòu)架的演變 最初的PowerPC構(gòu)架是由蘋(píng)果，IBM和摩托羅拉公司共同研制的，他針對(duì)IBM公司的RISC(Power)構(gòu)架處理器進(jìn)行了優(yōu)化和增強(qiáng)。雖然最早的PowerPC構(gòu)架針對(duì)桌面系統(tǒng)，但是他優(yōu)化了指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ISAs），使其適用不同的應(yīng)用。Book E是其ISA指令集之一，他是針對(duì)嵌入式市場(chǎng)設(shè)計(jì)的指令集。他只包括一條Book，性能和功耗在嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)是同樣的重要，該指令集很好的平衡了這兩者，使處理器能夠應(yīng)用到A&D系統(tǒng)。從那時(shí)起，向量處理和電源管理的創(chuàng)新使得PowerPC構(gòu)架又演化成Power構(gòu)架，嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能夠平衡性能和功率因素。 AltVec單指令

24、多數(shù)據(jù)（SIMD）指令集是重要改進(jìn)之一，并最終使其演化成Power構(gòu)架。這個(gè)擴(kuò)展功能于1999年引入，AltVec作為MPC74xx處理器的一部分，蘋(píng)果公司的G4 Macintosh系列電腦采用了這款處理器。這個(gè)革命也為DSP世界帶來(lái)了突破，用戶(hù)除了專(zhuān)用DSP芯片有更多的選擇，因?yàn)锳ltVec技術(shù)使得處理器內(nèi)核進(jìn)行向量處理。許多軍事應(yīng)用要求支持浮點(diǎn)運(yùn)算，AltiVec技術(shù)可以提供，因?yàn)楦浑娫此惚榷c(diǎn)運(yùn)算效率更高，但一般需要額外的硬件。軍事和航空應(yīng)用不像一般的電子應(yīng)用對(duì)成本非常敏感，這些應(yīng)用對(duì)執(zhí)行效率和支持浮點(diǎn)運(yùn)算提出更高的要求。有趣的是直到Power.Org官方將AltiVec寫(xiě)進(jìn)ISA2.0

25、.3發(fā)布版本，在這之前他從來(lái)就沒(méi)有作為PowerPC構(gòu)架的一部分。 表一 今天，對(duì)于很多航空和國(guó)防DSP應(yīng)用，AltVec技術(shù)都是一種標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法。他支持多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。專(zhuān)用DSP芯片由于不支持標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，采用專(zhuān)用DSP芯片比Power構(gòu)架技術(shù)編程更加困難。Power構(gòu)架允許系統(tǒng)集成師利用大量的第三方供應(yīng)商提供的高級(jí)的工具。 Power構(gòu)架另外一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是低功耗。隨著需求的增長(zhǎng)，要求在VME和VPX系統(tǒng)中有限空間內(nèi)部署更多的處理器，Power構(gòu)架技術(shù)開(kāi)發(fā)商開(kāi)始在一個(gè)芯片內(nèi)集成更多的處理器內(nèi)核。例如Freescalse的 MPC8641D雙核處理器就是這樣的處理器。雙核處理器可以

26、釋放出雙倍的性能，但與兩個(gè)單核處理器比較卻降低了電源消耗。將更多的功能集成到一個(gè)芯片，板子上芯片數(shù)量降低從而提高了可靠性和性能。這也節(jié)約了板子空間，要知道班子空間對(duì)軍事和航空設(shè)計(jì)師是非常重要的。另外，這樣可以解決更高級(jí)的系統(tǒng)功率，因?yàn)閱蝹€(gè)芯片更強(qiáng)大，集成更多的功能。  17B3.2 今天A&D應(yīng)用的革命 Power構(gòu)架技術(shù)在不斷的演化，滿(mǎn)足SwaP（空間，重量和功率）日益增長(zhǎng)的需求，適應(yīng)雷達(dá)和信號(hào)處理等應(yīng)用。我們可以發(fā)現(xiàn)Power構(gòu)架技術(shù)關(guān)鍵的改進(jìn)在于包含多個(gè)內(nèi)存控制器。這些內(nèi)置的內(nèi)存控制器，降低了傳輸延遲，增加內(nèi)存總線(xiàn)的帶寬，從而提高了系統(tǒng)的速度。這在大量消耗DRAM開(kāi)款的

27、DSP系統(tǒng)中非常重要，因?yàn)檫@樣的系統(tǒng)總是頻繁的從DRAM中讀數(shù)據(jù)，處理大量的輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)高性能內(nèi)核等待從內(nèi)存讀取輸入數(shù)據(jù)時(shí)是不工作的，此時(shí)沒(méi)有處理數(shù)據(jù)的能力。例如，研祥智能科技股份公司的VPX-1813引擎使用Power構(gòu)架技術(shù)的MPC8640D處理器。采用DDR3 內(nèi)存橋片，驅(qū)動(dòng)125MHz DDR內(nèi)存接口，峰值2GB/s。最新的 VPX DSP引擎使用DDR2內(nèi)存，以?xún)杀端俣冗\(yùn)行，并且擁有兩個(gè)bank（Discovery III一個(gè)），這樣內(nèi)存速度提高了4倍。 隨著應(yīng)用需求的不斷變化，圖像處理系統(tǒng)需要龐大的、可升級(jí)的多處理器系統(tǒng)。Power構(gòu)架技術(shù)與x86構(gòu)架處理器比較最大的優(yōu)點(diǎn)在于內(nèi)置支

28、持Serial RapidIO互聯(lián)技術(shù)。Serial RapidIO互聯(lián)不像GbE和PCIe互聯(lián)，他可以組建仲裁拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。Serial RapidIO使用終端和交換模式，是一種真正的點(diǎn)到點(diǎn)多處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。終端是處理器自己，他通過(guò)鏈接一個(gè)或多個(gè)Serial RapidIO交換器與其他終端通信。這些終端和交換器共同構(gòu)成Serial RapidIO網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)。 Serial RapidIO不像其他互聯(lián)技術(shù)，他不要求使用專(zhuān)門(mén)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是非常靈活的，能夠組建很大的系統(tǒng)，最多可達(dá)65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出絕大多數(shù)COST系統(tǒng)需求。在多處理器應(yīng)用中，理想的假定是系統(tǒng)中的處理器高速、平等的彼此互聯(lián)，沒(méi)有

29、一個(gè)處理器具有特殊屬性，不像PCI/PCI Express系統(tǒng)，有一個(gè)處理器作為根節(jié)點(diǎn)。MPC8641D的Serial RapidIO接口和支持Serial RapidIO的交換芯片，使得板子設(shè)計(jì)師采用新VPX(VITA46)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮帶寬優(yōu)勢(shì)。  18B3.3展望Power構(gòu)架的未來(lái) 帶著嵌入式市場(chǎng)的背景，Power構(gòu)架在A&D市場(chǎng)已經(jīng)有了很長(zhǎng)的歷史。Power.Org 組織于2004年被授權(quán)負(fù)責(zé)制定構(gòu)架的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，Power構(gòu)架技術(shù)的未來(lái)在很大程度上依賴(lài)于該組織。Power ISA 2.03已經(jīng)發(fā)布了，向廣大Power構(gòu)架的開(kāi)發(fā)商和最終用戶(hù)提供了相應(yīng)的路徑。 雖然系統(tǒng)

30、設(shè)計(jì)師在集成系統(tǒng)的過(guò)程中有很多的選擇，但是Power構(gòu)架具有許多關(guān)鍵性的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)有助于簡(jiǎn)化板子的設(shè)計(jì)，降低功耗，提高復(fù)雜DSP應(yīng)用的帶寬。在過(guò)去，Power構(gòu)架技術(shù)是低功率、高性能處理器，廣泛用于國(guó)防、航空系統(tǒng)，它未來(lái)的發(fā)展是將向量處理，多內(nèi)存控制器以及Serial RapidIO等交換互聯(lián)技術(shù)結(jié)合在一起，形成一個(gè)高度集成的解決方案。它的發(fā)展還將為設(shè)計(jì)師們節(jié)省空間、降低重量和功耗，而這些恰恰是國(guó)防、航空系統(tǒng)的關(guān)鍵。可以預(yù)見(jiàn)，Power構(gòu)架在未來(lái)的國(guó)防、航空DSP設(shè)計(jì)中仍將是最重要的處理器構(gòu)架。  5B4. VPX與VME, VXS區(qū)別 很快迎來(lái)25周年的紀(jì)念，古老的VMEBus

31、仍然不斷演變以滿(mǎn)足當(dāng)前和下一代系統(tǒng)的需求。VITA41協(xié)議在保留VME32/VME64同時(shí)擴(kuò)展了交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。VITA46采用了一百多個(gè)串行I/O，取代了傳統(tǒng)的并行總線(xiàn)。VITA48增加了一些功能來(lái)實(shí)現(xiàn)二級(jí)維護(hù)，同時(shí)定義了液冷散熱。  由于新的嵌入式國(guó)防和航空應(yīng)用的出現(xiàn)，對(duì)帶寬和散熱技術(shù)提出了更高的要求。為了滿(mǎn)足這些要求，近日開(kāi)發(fā)出了新型主板結(jié)構(gòu)協(xié)議。其中三個(gè)最重要的新型協(xié)議是VITA 41 VMEbus Switched Serial Standard (VXS)，VITA 46和有關(guān)協(xié)議，以及VITA 48 Enhanced Ruggedized Design Implement

32、ation (ERDI)。  為了幫助系統(tǒng)用戶(hù)理解這些新協(xié)議獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和真實(shí)的差異，這里幫您比較一下他們多樣的特性并突出每一個(gè)協(xié)議想要解決的問(wèn)題。系統(tǒng)用戶(hù)在選擇一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)必須考慮的主要技術(shù)差異包括： 物理環(huán)境 處理器需求和系統(tǒng)內(nèi)帶寬 外部系統(tǒng)帶寬和連接 保存過(guò)去的研發(fā)成果以及未來(lái)驗(yàn)證 技術(shù)實(shí)用性和成本  總的來(lái)看，我們需要特別關(guān)注背板連接。因?yàn)榛疽?guī)范VME64X仍然是一個(gè)非常重要的技術(shù)并仍將使用很多年，我們也同樣需要檢驗(yàn)如何建立一個(gè)VXS，VITA46，和VITA48系統(tǒng)并將其帶入VME64X。  19B4.1 廣泛使用的VME 以上所有的三種新協(xié)議都兼容老

33、的VME產(chǎn)品，這得用戶(hù)可以利用以前開(kāi)發(fā)的主板和軟件，節(jié)約成本。 現(xiàn)今，VME總線(xiàn)技術(shù)在非常廣闊的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用，包括： 圖像(醫(yī)療，軍事) 工業(yè)控制 視頻處理 模擬器(飛行，導(dǎo)彈) 雷達(dá)/聲納 電子情報(bào) 任務(wù)計(jì)算機(jī) 電信系統(tǒng)  不同應(yīng)用領(lǐng)域有不同的需求。雷達(dá)系統(tǒng)可能需要放置在風(fēng)冷環(huán)境或者噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的前端。任務(wù)計(jì)算機(jī)可以簡(jiǎn)單的收集、記錄多個(gè)1553接口的輸入，也可以接收多個(gè)前視紅外線(xiàn)(FLIR)圖像，分析并顯示在多功能顯示器上。電信系統(tǒng)可能需要所有的I/O在前面板，這樣系統(tǒng)可以背對(duì)背放置在設(shè)備架子上，也可能需要所有I/O連接走背板布線(xiàn)保證整潔的面板，這樣可以迅速確定系統(tǒng)中出問(wèn)題的卡加以替

34、換。，從而降低平均返修時(shí)間(MTTR)。  在空氣流通或環(huán)境良好的環(huán)境中中，使用風(fēng)冷1101.10機(jī)械協(xié)議。然而，在惡劣的環(huán)境，例如噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的前端需要使用導(dǎo)冷協(xié)議1101.2。  在系統(tǒng)內(nèi)部帶寬需求比較低時(shí)，協(xié)議VME總線(xiàn)就可以提供很好的解決方案。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)帶寬很高時(shí)，例如多視頻顯示系統(tǒng)，或者在多處理器間有高運(yùn)算負(fù)載和數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中，可以在VME總線(xiàn)主卡的J2連接器上增加二級(jí)數(shù)據(jù)總線(xiàn)例如RACEway，StarFabric或者SKYChannel來(lái)提供額外的帶寬。但是，這種方式占用了其他I/O的背板插針，例如PMC I/O，1553，串行通道，GigE，以及其他的I/

35、O協(xié)議。不幸的是，用戶(hù)沒(méi)有任何協(xié)議格式供參考，使用這些二級(jí)總線(xiàn)。  VITA 41，VITA 46和VITA 48協(xié)議為解決這些設(shè)計(jì)難題而制定的。然而，每個(gè)協(xié)議集中，解決這些I/O問(wèn)題都有所不同。  20B4.2 VITA 41 VITA 41是為了滿(mǎn)足高速數(shù)據(jù)總線(xiàn)需求，為10 GigE，Serial RapidIO，PCI Express，和高級(jí)轉(zhuǎn)換連接等下一代高速串行互聯(lián)開(kāi)發(fā)的協(xié)議。這些串行協(xié)議的共同特點(diǎn)是都可以運(yùn)行在2 Gbps。在這樣的速度下，標(biāo)準(zhǔn)的VME總線(xiàn)連接器不能工作的。  與此同時(shí)，VITA 41特別注意了與老的VME硬件和老的VME主板的兼容問(wèn)題

36、。VITA 41背板仍然采用J1和J2連接器作為傳統(tǒng)的VMEbus，不同的是它采用Tyco公司的7排RT2連接器代替原來(lái)的J0連接器。RT2連接器是一個(gè)高速差分連接器，提供30個(gè)差分對(duì)兒，其中16對(duì)兒作為高速連接定義。J0其它插針，其中一個(gè)針用于支持live insertion，剩下的保留將來(lái)使用(RFU)。  圖1展示了20插槽的背板，背板上擁有兩個(gè)交換卡。VITA 41卡采用一個(gè)中央交換調(diào)度（芯片）進(jìn)行板間通信。16對(duì)差分信號(hào)被分為兩個(gè)雙向4信道串行端口。一個(gè)端口都連接VITA 41背板其中一個(gè)交換卡上，另一個(gè)解決連接到另一個(gè)交換卡上。這樣在其中一個(gè)集中交換模塊失效時(shí)，還有另一個(gè)

37、冗余通信路徑。  研祥智能科技股份有限公司可以提供VITA-41，用在客戶(hù)定制背板上。這可以滿(mǎn)足需要很高帶寬的應(yīng)用，超出老的VME總線(xiàn)P0連接器2 Gbaud的限制。  圖1 21B4.3 VITA 46 VITA 46協(xié)議使用了類(lèi)似又不盡相同的方式來(lái)解決帶寬問(wèn)題（參看圖2）。相同之處在于它使用RT2連接器，但不同的是，所有連接器都使用RT2連接器，因此使得所有的連接都支持高速差分信號(hào)。VITA 46協(xié)議在J2定義了32個(gè)差分I/O對(duì)兒，而VITA 41值定義了16對(duì)兒。  這種結(jié)構(gòu)提供了一些很有趣的能力。VITA 41設(shè)計(jì)為雙冗余中央交換，而VITA 46允許用

38、戶(hù)設(shè)計(jì)出分布式的網(wǎng)狀交換系統(tǒng)，因此不會(huì)出現(xiàn)由于單獨(dú)路徑，或者模塊的失效而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的情況。圖2展示4個(gè)4信道端口連接到各個(gè)模塊。當(dāng)每個(gè)信道運(yùn)行在3.125 Gbaud時(shí)，每個(gè)端口的雙向帶寬為2.5 Gbps（由于8B/10B譯碼會(huì)有20%的占用）。網(wǎng)狀拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于能夠開(kāi)發(fā)出更緊湊、占用更小空間的系統(tǒng)，因?yàn)椴辉傩枰猇ITA 41中的兩個(gè)中心交換槽了。  在嘗試提升VME總線(xiàn)模塊的帶寬能力過(guò)程中，VITA 41使用高速差分RT2連接器代替了VME總線(xiàn)J0連接器。然而，這導(dǎo)致了用戶(hù)I/O針的數(shù)量大大減少，從205減少到110。VITA 46通過(guò)替換VME總線(xiàn)J0和J1連接器，全部采用R

39、T2連接器，在圖2中表出。這樣做有很明顯的優(yōu)勢(shì)。最重要的優(yōu)勢(shì)是使用VITA46，用戶(hù)的I/O數(shù)量從VITA 41的110個(gè)針增加到272個(gè)針。并且，這272個(gè)針中有256個(gè)是自定義的高速差分對(duì)兒，每個(gè)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Gbps。  為了利用這些附加的用戶(hù)I/O針，VITA46.9定義了XMC和PMC用戶(hù)針的協(xié)議映射。（XMC和PMC User I/O Mapping for VITA 46）。 圖2 VITA 46還有一個(gè)超過(guò)VITA 41的優(yōu)勢(shì)。VITA 46其中的一個(gè)連接器P0，被設(shè)計(jì)為功能連接器。功能連接器連接電源，維護(hù)總線(xiàn)，和測(cè)試總線(xiàn)。電源支持：48 V 16 A 或者

40、12 V 32 A，作為高功耗卡的主電源。 5 V 16 A 作為低功耗卡的主電源 +12 V 2 A 作為模擬以及PMC電壓 12 V 2 A作為模擬和PMC電壓 3.3 V 2 A作為輔助電源使用  22B4.4 向后兼容 構(gòu)造有效率系統(tǒng)的插槽數(shù)越多，就需要更多用戶(hù)I/O，有多種向后兼容的方案。VITA 41和VITA 46都需要一個(gè)新的系統(tǒng)背板。VITA 41向后兼容的方案是使用傳統(tǒng)的VME卡，但不使用VME總線(xiàn)上的J0連接器：VITA41采用VME協(xié)議的J1和J2連接器與老的VME總線(xiàn)卡通信。在這點(diǎn)上兩個(gè)協(xié)議都是同樣的。而VITA46的方案是使用一個(gè)混合背板，允許老的VME總

41、線(xiàn)卡插入到系統(tǒng)中。圖3展示了混合背板，該背板有五個(gè)老的VME槽和5個(gè)VITA 46槽。在VITA 46混合背板上，VITA46連接器和老的VME總線(xiàn)間通信遵循VITA46.1（VITA 46的VMEbus總線(xiàn)映射）。 圖3 VITA41背板通過(guò)放棄VME總線(xiàn)J0連接器的方式，為老的VME卡提供兼容。如果老的卡使用J0連接器，VITA46背板必須要做一些修改，將老的VME總線(xiàn)模塊與VITA41模塊鏈接在一起。  23B4.5 3U VITA 46 VITA46背板擁有更多的插針數(shù)量，這一優(yōu)點(diǎn)特別使用在小型系統(tǒng)中。 老的的3U VME總線(xiàn)系統(tǒng)不提供任何背板用戶(hù)I/O。VITA46協(xié)議提供

42、給系統(tǒng)用戶(hù)3U解決方案，在VITA46 總線(xiàn)J1上給用戶(hù)提供網(wǎng)狀拓?fù)洌试S用戶(hù)使用J2作為用戶(hù)I/O。  VITA46的J2采用的RT2查分連接器提供客戶(hù)72個(gè)用戶(hù)IO針。  24B4.6 VITA 48 VITA 48從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，是一個(gè)板型協(xié)議，補(bǔ)充了VITA46協(xié)議的其他功能。它采用VITA 46協(xié)議相同的連接器，并提供所有相同的帶寬和用戶(hù)I/O。除此之外，VITA48定義了二級(jí)維護(hù)協(xié)議，通過(guò)利用頂蓋來(lái)保護(hù)模塊電路。它同樣定義了先進(jìn)的制冷技術(shù)，例如液體循環(huán)制冷理論。  為了得到這些優(yōu)勢(shì)，VITA 48定義了每個(gè)模塊的槽間距為1" (從0.8&quo

43、t;增加到)。通過(guò)允許VITA 46模塊插入VITA48背板和機(jī)箱，來(lái)實(shí)現(xiàn)向后兼容。  25B4.7 總結(jié) 三個(gè)新出現(xiàn)的協(xié)議各自有各自的特點(diǎn)，來(lái)解決不同的系統(tǒng)需求。表1將這些特性列出。 VME總線(xiàn)適用于系統(tǒng)內(nèi)不帶寬要求不高的系統(tǒng)，他在將來(lái)的很多年都會(huì)繼續(xù)發(fā)展及應(yīng)用。  VITA 41適合于需要比較高的系統(tǒng)內(nèi)部帶寬，同時(shí)不需要很多的背板I/O，系統(tǒng)物理空間也不受到限制的應(yīng)用，這些系統(tǒng)多使用前面板I/O。  VITA 46適合于比較高的系統(tǒng)內(nèi)部和背板帶寬，同時(shí)在背板上需要大量的用戶(hù)I/O針。VITA 46非常適合于系統(tǒng)物理尺寸受到限制的應(yīng)用，3U VITA 46可在背

44、板上提供用戶(hù)I/O，而VITA41和VME總線(xiàn)沒(méi)有。  VITA 48也同樣適合于比較高系統(tǒng)內(nèi)部和背板帶寬，需要大量的用戶(hù)I/O針的應(yīng)用。然而，他的區(qū)別在于它為高功耗主板提供液體循環(huán)制冷機(jī)制。   6B5. 采用基于VPX總線(xiàn)的系統(tǒng)迎接航空任務(wù)計(jì)算應(yīng)用的挑戰(zhàn) 任務(wù)計(jì)算應(yīng)用要求背板構(gòu)架能夠在惡劣的軍事和航空環(huán)境中工作，并且能夠?yàn)椴煌南到y(tǒng)提供可靠平臺(tái)。最新的VPX背板標(biāo)準(zhǔn)使得系統(tǒng)集成商能夠在加固平臺(tái)上使用最最先進(jìn)的技術(shù)。  在眾多加固的、開(kāi)放的嵌入式計(jì)算模塊構(gòu)建應(yīng)用中，航空任務(wù)計(jì)算應(yīng)用無(wú)疑是系統(tǒng)集成商們最具挑戰(zhàn)的應(yīng)用，任務(wù)計(jì)算機(jī)是軟件高度密集的系統(tǒng)，他必須

45、在惡劣的飛機(jī)工作環(huán)境下處理種類(lèi)繁多的I/O，并提供可靠的操作。如今，系統(tǒng)集成商可以使用最新的VPX(VITA46)背板標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)代的串行高速互聯(lián)通信，提供眾多高速I(mǎi)/O信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。并且，VPX已經(jīng)成功的通過(guò)了復(fù)雜的環(huán)境認(rèn)證過(guò)程。 26B5.1 任務(wù)計(jì)算的挑戰(zhàn) 無(wú)論是一個(gè)升級(jí)項(xiàng)目或是一個(gè)新的飛機(jī)系統(tǒng)，任務(wù)計(jì)算機(jī)都需要解決下面最常見(jiàn)的問(wèn)題： 很多的I/O 通過(guò)配合多處理方案，提供強(qiáng)大的計(jì)算能力 有限的尺寸和重量限制 在惡劣的航空環(huán)境下工作 在電路板級(jí)支持二級(jí)維護(hù)的概念 要求支持多種I/O 很多I/O的需求 任務(wù)計(jì)算機(jī)需要連接大量的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)傳感器（空速，高速，系統(tǒng)狀態(tài)），導(dǎo)航子系統(tǒng)，

46、敵我識(shí)別單元，雷達(dá)，導(dǎo)彈報(bào)警傳感器，電子戰(zhàn)傳感器，光電/紅外傳感器視頻，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連，飛行人機(jī)界面輸入，座艙顯示，大容量存儲(chǔ)接口，以及一些其他的設(shè)備。事實(shí)上，復(fù)雜的任務(wù)計(jì)算機(jī)需要連接20-30個(gè)不同系統(tǒng)。這些不同的數(shù)據(jù)接口使用不同的電信號(hào)級(jí)（RS-422, MIL-STD-1553, Fibre Channel, Ethernet, ARINC-429, DVI, 用戶(hù)自定義高速接口等）。 RS-422和MIL-STD-1553等老的總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)仍然在使用，與此同時(shí)，用于高分辨率數(shù)字視頻傳輸?shù)腄VI以及用于大容量存儲(chǔ)的Serial ATA等較新的標(biāo)準(zhǔn)，也越來(lái)越多的采用，使得信號(hào)速率到達(dá)multi-g

47、ibabit范圍內(nèi)。需要數(shù)以百計(jì)的I/O信號(hào)這些信號(hào)中1Gbps或者更大的數(shù)據(jù)吞吐率的I/O越來(lái)越多，這極大的沖擊著傳統(tǒng)的任務(wù)計(jì)算系統(tǒng)。所有的這些I/O信號(hào)需要散布在系統(tǒng)內(nèi)不同板級(jí)模塊中。為了避免在系統(tǒng)中增加額外的專(zhuān)用I/O模塊，板級(jí)I/O數(shù)量增長(zhǎng)承受著巨大的壓力。 27B5.2多處理器方案滿(mǎn)足強(qiáng)大處理需求 現(xiàn)今，現(xiàn)代航空電子任務(wù)計(jì)算是一種軟件最復(fù)雜，嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用。操作飛行程序（Operational Flight Program, OFP）是由系統(tǒng)多功能屬性驅(qū)動(dòng)的，極為復(fù)雜的程序，他涉及眾多工業(yè)領(lǐng)域，包括很多的數(shù)據(jù)源接收器，以及數(shù)百個(gè)處理任務(wù)。表一列出了主要的處理任務(wù)。 任務(wù)計(jì)算應(yīng)用的復(fù)雜

48、性還在于涉及很多處理類(lèi)型，他們包括： 需要在某個(gè)固定的時(shí)間進(jìn)行周期處理，例如60MHz的顯示刷新率處理 需要進(jìn)行異步的，基于需求的處理，例如處理飛行或數(shù)據(jù)鏈輸入 需要高計(jì)算量的處理，例如視頻處理 一些任務(wù)包含綜合的，有限狀態(tài)機(jī)邏輯 據(jù)估計(jì)，像F-16, F-18等先進(jìn)飛機(jī)的OFP程序大小，其源代碼高達(dá)5百萬(wàn)行。 28B5.3 系統(tǒng)的需求 進(jìn)行這些處理需要多個(gè)處理器協(xié)調(diào)工作，OFP也必須拆成小的，易于管理的模塊，方便維護(hù)和升級(jí)。任務(wù)計(jì)算的工程師們必將引領(lǐng)面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)和用于數(shù)據(jù)共享的中間件的發(fā)展。圖一展示了任務(wù)計(jì)算機(jī)軟件用到的經(jīng)典軟件分層方法。這些軟件層次進(jìn)一步增加了處理量，對(duì)于多處理解決方案

49、需要更強(qiáng)大的計(jì)算能力。 基于多處理解決方案，需要處理器間高效的通信手段，目前，通過(guò)在硬件層支持軟件層用到的邏輯中間件總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，如圖二所示。高性能，低延遲以及開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)等特征也是受任務(wù)計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)工程師青睞的。這些特征可以通過(guò)在背板加入Serial RapidIO和Advanced Switching Interconnect（ASI）等互聯(lián)利用現(xiàn)代高速互聯(lián)技術(shù)，滿(mǎn)足工程師們的要求。  29B5.4 尺寸和重量的限制 無(wú)論是超音速戰(zhàn)斗機(jī)還是攻擊直升機(jī)，發(fā)送攻擊，超高的機(jī)動(dòng)能力，任務(wù)計(jì)算機(jī)總是引領(lǐng)飛機(jī)在格斗范圍內(nèi)戰(zhàn)斗。這迫使系統(tǒng)集成師尋找能夠降低最終系統(tǒng)尺寸和重量的總線(xiàn)結(jié)構(gòu)。對(duì)于升級(jí)現(xiàn)有飛機(jī)

50、的電子設(shè)備，任務(wù)計(jì)算機(jī)必須采用傳統(tǒng)的空間尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)新功能，這個(gè)尺寸一般是ATR標(biāo)準(zhǔn)大小。 30B5.5 惡劣環(huán)境下的性能 除了處理眾多I/O，提供強(qiáng)大的處理能力，以及尺寸和重量限制外，系統(tǒng)集成師們?cè)O(shè)計(jì)的任務(wù)計(jì)算機(jī)必須在軍用戰(zhàn)術(shù)航空器中遇到的極端溫度，沖擊和振動(dòng)的環(huán)境下仍能可靠的工作。振動(dòng)一般在飛機(jī)是非常普遍的，他包括結(jié)構(gòu)振動(dòng)，引擎振動(dòng)，槍炮振動(dòng)，直升機(jī)主要是螺旋槳旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，產(chǎn)生的總共隨機(jī)振動(dòng)負(fù)載大約是20G RMS或者更高。這要求內(nèi)部的電路板與背板鏈接器鏈接足夠緊密。 貫穿整個(gè)可更換模塊的二級(jí)維護(hù) 一般認(rèn)為，在整個(gè)生命周期內(nèi)維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的武器系統(tǒng)需要的成本要比最初裝備成本高好幾倍。維護(hù)系統(tǒng)成本

51、的很大一部分是維修成本這不僅僅包括實(shí)際的維修，還包括返修運(yùn)輸與備用件儲(chǔ)備的后勤保障成本。 在軍事服務(wù)中，通過(guò)直接在平臺(tái)上拆除和更換可插拔處理板、I/O板等系統(tǒng)模塊，減輕后勤保障負(fù)擔(dān)的方法逐漸成為主流思想。這消除了傳統(tǒng)的首先拆除系統(tǒng)級(jí)黑盒子，然后把它運(yùn)回庫(kù)房以備后續(xù)更換可插拔電路板的一步驟。圍繞Line-Replaceable Modules (LRMs)這個(gè)概念設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)，在LRM級(jí)儲(chǔ)備備用件，取代了傳統(tǒng)的在機(jī)箱級(jí)儲(chǔ)備備用件。儲(chǔ)備備用件的成本、數(shù)量和重量將會(huì)減少。 31B5.6 新VPX標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)給我們帶來(lái)什么？ VPX標(biāo)準(zhǔn)為滿(mǎn)足客戶(hù)軍用、航空嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的需要，支持系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，他解決了任務(wù)

52、計(jì)算機(jī)應(yīng)用面臨的諸多挑戰(zhàn)。 VPX背板結(jié)構(gòu)的主要元素包括： 基于Tyco公司開(kāi)發(fā)的7排RT-2 MultiGiga連接器設(shè)計(jì)的高級(jí)連接器系統(tǒng)，他提供更多I/O，支持高速的串行鏈接，以及包含ESD（靜電）保護(hù)結(jié)構(gòu) 基于標(biāo)準(zhǔn)的0.8英寸厚度的3U和6U模塊兒 擴(kuò)展結(jié)構(gòu)格式VPX-REDI(VITA-48)標(biāo)準(zhǔn)提供了一個(gè)頂蓋兒和一個(gè)底蓋兒，他與VPX與一起使得模塊應(yīng)用二級(jí)維護(hù)環(huán)境 FPGA應(yīng)用于流處理是很自然的選擇 輸入信號(hào)或圖像數(shù)據(jù)的高性能流處理，要求FPGA能夠進(jìn)行可重配置（reconfigurable）計(jì)算，同時(shí)能夠進(jìn)行系統(tǒng)及設(shè)計(jì)，并能解決成本問(wèn)題。  7B6. FPGA應(yīng)用于流處理

53、 許多軍事和航空應(yīng)用都要求對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，或圖像數(shù)據(jù)流進(jìn)行高速處理。I/O流處理一般包括濾波，信號(hào)調(diào)整，校驗(yàn)和采集。雖然一些流處理應(yīng)用采用專(zhuān)用ASIC芯片，但是他非常不靈活，并且需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期和昂貴的成本，所以不是一個(gè)理想的解決方案。此外，為了滿(mǎn)足處理需要，流處理應(yīng)用一般需要解決系統(tǒng)問(wèn)題，例如尺寸大小，重量，功率，開(kāi)發(fā)周期，現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)和重配置。 多計(jì)算系統(tǒng)一般采用具有靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，基于該系統(tǒng)中的RISC或DSP處理器，用于流處理系統(tǒng)是很自然的選擇。但是，迫于系統(tǒng)成本的壓力，國(guó)防和航空客戶(hù)只能使用RISC或DSP處理器搭建他們的系統(tǒng)。而現(xiàn)代的FPGA擁有可重配置，很多的邏輯門(mén)數(shù)量，DSP單元和

54、內(nèi)置高速穿行口等優(yōu)點(diǎn)，使得客戶(hù)擁有更多的選擇。 32B6.1流處理系統(tǒng)的特點(diǎn) 在一些流處理應(yīng)用中，除了有一些回饋信息需要從后期處理階段傳回前期處理階段，數(shù)據(jù)流動(dòng)的主要方向還是單向流動(dòng)。前期處理階段更接近DSP處理，而后期處理更接近于符號(hào)處理。處理類(lèi)型的不同，每個(gè)處理階段使用的硬件有所區(qū)別，請(qǐng)參考表1 基于多計(jì)算系統(tǒng)的流處理是不同的。他包括I/O板（傳感器接口或模數(shù)轉(zhuǎn)換），F(xiàn)PGA處理板，用于浮點(diǎn)DSP運(yùn)算和其他通用計(jì)算的四-PowerPC板，以及用于控制和設(shè)備I/O的單板計(jì)算機(jī)。請(qǐng)參考圖一。FPGA計(jì)算引擎通過(guò)專(zhuān)用的串行鏈接鏈接系統(tǒng)輸入設(shè)備。交換通信網(wǎng)絡(luò)鏈接不同的處理單元。 圖一  

55、表一 33B6.2使用 FPGA做前期處理 在流處理系統(tǒng)中，現(xiàn)代FPGA技術(shù)非常適合做前期處理。Xilinx Virtex-5提供了很大的用戶(hù)可用面積，專(zhuān)門(mén)的浮點(diǎn)DSP單元和高速串口。該FPGA采用65納米工藝，可以有效的減少漏電電流和靜態(tài)功率消耗。65納米工藝還減少了節(jié)點(diǎn)電容，并且采用1V核心電壓，這些都有助于減少動(dòng)態(tài)功率消耗。 ExpressFabric結(jié)構(gòu)擁有增強(qiáng)的查找表（lookup table, LUT）結(jié)構(gòu)，該查找表結(jié)構(gòu)有6個(gè)輸入。DSP48E DSP塊，擁有25個(gè)18-bit乘法器，增強(qiáng)了FPGA浮點(diǎn)運(yùn)算能力。這些乘法器可以排列成管道或瀑布結(jié)構(gòu)，增加不同濾波器算法的吞吐量。 該F

56、PGA的LXT版本擁有24條高速、低功耗的串行通道，速度從100Mbits2.3Gbit/s不等，支持很多高速串行I/O標(biāo)準(zhǔn)。此外，還提供Aurora和RapidIO協(xié)議的軟核，還包括千兆網(wǎng)和PCI Express使用的專(zhuān)用硬件模塊。 用于流處理應(yīng)用的商用平臺(tái)可以利用Virtex-5 LXT系列的高級(jí)特性完成高速早期流處理。例如，基于雙LXT版本FPGA板子的高速串行口可以連接背板，子卡插槽，兩個(gè)FPGA，在這些I/O路徑間建立4個(gè)信道。每個(gè)FPGA使用18對(duì)兒（36針）離散LVDS信號(hào)鏈接鏈接背板，用于并行傳輸或自定義I/O。 板載多個(gè)SRAM和SDRAM bank，確保FPGA 應(yīng)用能夠擁

57、有足夠的內(nèi)存帶寬用于存儲(chǔ)和訪問(wèn)濾波器模塊，暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)等。當(dāng)每個(gè)內(nèi)存映射成多口模式時(shí)，開(kāi)發(fā)人員擁有很大的靈活進(jìn)行并行或管道FPGA設(shè)計(jì)。 34B6.3將FPGA集成到系統(tǒng)中 這樣的FPGA節(jié)點(diǎn)用于前期流處理運(yùn)算。當(dāng)該節(jié)點(diǎn)物理上鏈接到包含DMA引擎的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，F(xiàn)PGA節(jié)點(diǎn)缺乏通用處理器管理復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性。 例如，DMA的建立和控制一般由外部的通用處理器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。支持AltiVec功能的Power構(gòu)架（PowerPC）Freescale 8641D處理器，可以完成這些任務(wù)。初次還可以完成配置FPGA、快速重構(gòu)，處理器間同步任務(wù)、動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波系數(shù)等計(jì)算參數(shù)的功能。 其中許多任務(wù)經(jīng)過(guò)背面控

58、制總線(xiàn)，需要避免打斷SRIO總線(xiàn)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。這些功能一般通過(guò)操作系統(tǒng)或板級(jí)支持包(BSP)函數(shù)調(diào)用初始化?；蛘咄ㄟ^(guò)通信中間層進(jìn)行初始化。 流處理應(yīng)用中的中期和后期處理階段一般采用PowerPC通用處理器處理，板載PowerPC處理器，除了處理FPGA命令和控制任務(wù)，還可以類(lèi)似四-DSP或單板機(jī)里的處理器節(jié)點(diǎn)，參與中后期處理。這些處理階段通常包含浮點(diǎn)向量計(jì)算，使用8641D中AltiVec單元進(jìn)行處理。在這個(gè)體系中的板載PowerPC處理器都會(huì)得益于豐富的系統(tǒng)和中間軟件，用戶(hù)可以從復(fù)雜的集成工作解脫出來(lái)，通過(guò)抽象出硬件細(xì)節(jié)，開(kāi)發(fā)出更簡(jiǎn)化的應(yīng)用程序代碼。 開(kāi)發(fā)的加固的、商業(yè)板子滿(mǎn)足了流處理應(yīng)用的需求，它采用6U VPX/VPX-REDI格式，板子上有兩塊LXT FPGA和一個(gè)雙核8641D PowerPC處理器（如圖二）。 圖二，研祥VPX-1811 當(dāng)流處理應(yīng)用使用這樣的板子時(shí)，一般是采用不間斷循環(huán)傳輸或者下一個(gè)可得處理器傳輸樣式，從FPGA向多處理系統(tǒng)中其他處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA工具集提供驅(qū)動(dòng)和軟件庫(kù)，管理這些復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸策略，以及節(jié)點(diǎn)配置，溫度和電流傳感器管理，總線(xiàn)訪問(wèn)控制等板載功能接口，這個(gè)工具集還提供IP塊庫(kù)，仿真環(huán)境，BSP，算法庫(kù)和中間件等。 CHAMP-FX2的FXtoo