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，人們對高速通信和超快速計算的需求日益增大，這向系統(tǒng)開發(fā)師、算法開發(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)備融合成一個整體

同時，開發(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設(shè)定其開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化策略的參數(shù)其間，開發(fā)人員要解決以下問題：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，以及針對性能和成本進(jìn)行優(yōu)化仔細(xì)研究一下就會發(fā)現(xiàn)，為滿足應(yīng)用需求而要、面對的這些挑戰(zhàn)主要涉及兩個主題：一是連接性，從本質(zhì)上說就是實(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)算平臺之間的連接基于標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計通常比“自由發(fā)揮”的設(shè)計簡單得多，也是今天的典型設(shè)計模式并行連接標(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)展趨勢顯然傾向于高速串行連接從圖1中就能看出這一趨勢諸如PCIe和GbE/XAUI之類的高速串行標(biāo)準(zhǔn)在臺式機(jī)和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)已有應(yīng)用但無線通信設(shè)施中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對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?/p>

6.支持多點(diǎn)傳送；

7.高度可靠；

8.支持當(dāng)日時間(timeofday)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已成為無線通信基礎(chǔ)設(shè)備中用于數(shù)據(jù)層(dataplane)互連的主流連接技術(shù)SRIO網(wǎng)絡(luò)建立在兩個“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、電特性以及低級錯誤管理

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)議和分組格式每個分組最多包含256字節(jié)的載荷事務(wù)通過Load、Store或DMA操作來訪問大小為34/50/66比特的地址空間SRIO有多種優(yōu)點(diǎn)一個運(yùn)行于3.125Gbps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10Gbps的流量SRIO與微處理器總線類似，它在硬件中完成存儲器和器件尋址以及分組處理這不但大大降低了用于I/O處理的開銷，減小了延遲，也增大了其相對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1.25-3.125Gbps范圍內(nèi)調(diào)整圖4為SRIO規(guī)范的圖解

圖4：SRIO規(guī)范

平臺中的運(yùn)算資源有了可配置的處理資源，開發(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，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，對運(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?/p>

2.高度可靠的直接對等通信能力；

3.多個異構(gòu)操作系統(tǒng)；

4.通過多個異構(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SRIO協(xié)議規(guī)范和架構(gòu)支持嵌入式和無線基礎(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)營商級可靠度、具備高級流量管理功能，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.通過支持?jǐn)?shù)百萬條數(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)定和死鎖避免等問題而支持優(yōu)先級劃分；

7.通過系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)、配置和學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?樹型和網(wǎng)格型)和任意拓?fù)?菊鏈)等多種硬件拓?fù)浞绞降闹С?，包括支持多個主機(jī)；

8.錯誤管理和分類(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)時支持完全兼容的最大載荷操作，Xilinx等廠商根據(jù)最新的RapidIOv1.3規(guī)范設(shè)計了其端點(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.LogiCORERapidIO邏輯(I/O)和傳輸層IP；

2.緩沖層參考設(shè)計；

3.LogiCORE串行RapidIO物理層IP；

4.寄存器管理器參考設(shè)計

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)計的源代碼，該設(shè)計可完成分組的自動排隊(duì)和優(yōu)先級重新劃分SRIO物理層IP可以實(shí)現(xiàn)鏈路訓(xùn)練和初始化、發(fā)現(xiàn)和管理以及錯誤與重試恢復(fù)機(jī)制此外，在該物理層IP中還對高速收發(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)計允許SRIO主設(shè)備對端點(diǎn)設(shè)備配置、鏈路狀態(tài)、控制和超時機(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)計探測端點(diǎn)設(shè)備狀態(tài)的端口LogiCORE則提供了完整的端點(diǎn)IP該IP已通過業(yè)界領(lǐng)先SRIO器件廠商的測試用戶可通過XilinxCoreGenGUI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)品在上市時間、可調(diào)整性、可擴(kuò)展性、適應(yīng)未來發(fā)展等各方面的優(yōu)勢下面給出了一些采用SRIO和DSP技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計實(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)是針對那些無需進(jìn)行大量乘法運(yùn)算的一般應(yīng)用優(yōu)化過的相比而言，DSP結(jié)構(gòu)則是針對包括濾波、FFT、矢量乘法和查找以及圖像或視頻分析等信號處理操作優(yōu)化過的因此，同時采用CPU和DSP的嵌入式系統(tǒng)可以輕松利用通用處理器和信號處理器兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢圖6給出了一個此類系統(tǒng)的例子，其中同時包含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x86CPU中主要的數(shù)據(jù)互連則采用PCIExpress實(shí)現(xiàn)如圖6所示，對FPGA進(jìn)行一些簡單的配置，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PCIExpress和串行RapidIO)在該系統(tǒng)中，管理PCIExpress系統(tǒng)的是RootComplex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)可自動映射至34/66位SRIO地址空間(基地址)PCIe應(yīng)用程序通過內(nèi)存或I/O讀寫與RootComplex芯片組通信這些事務(wù)均可通過流寫入、原語和確認(rèn)讀/寫事務(wù)(SWRITEsATOMICNREADsNWRITE/NWRITE_Rs)等I/O操作輕松映射至SRIO空間在Xilinx的FPGA中設(shè)計此類橋接功能非常簡單，因?yàn)镻CIExpress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

圖7：需要強(qiáng)大DSP處理能力的器件

XilinxVirtex-5FPGA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，可以將這些處理任務(wù)卸載至x86CPU中去運(yùn)行XilinxVirtex-5FPGA允許對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廠商將會采用新的外形尺寸的器件和設(shè)備來減少容量和覆蓋方面的問題，使用SRIO并基于FPGA的DSP架構(gòu)正是應(yīng)對此類挑戰(zhàn)的絕佳方案傳統(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通過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)中也很簡單

圖8：基帶處理

本文小結(jié)

串行RapidIO正在越來越多的新應(yīng)用中嶄露頭角，特別是在采用DSP的有線和無線應(yīng)用中在Xilinx器件中實(shí)現(xiàn)串行RapidIO主要有以下優(yōu)勢：