Virtex-5 FXT FPGA – 終極系統集成平臺

由于眾多不斷增加和演化的標準、苛刻的處理要求以及不斷降低的成本和時間預算，數字融合時代加速了對FPGA基本價值主張的依賴性。這些基本價值主張是：靈活性、現場可升級能力、優異的信號處理能力、更快的產品上市時間、降低風險、適應不斷演化的標準以及降低系統成本。 Virtex-5平臺建立在這些豐富價值的基礎上，再加上高速串行連接功能和嵌入式處理能力，從而構成了終極系統集成平臺。

Virtex-5 FXT平臺是唯一結合了業界標準的550MHz PowerPC440嵌入式處理器內核、DSP和高速串行I/O功能的FPGA，其無與倫比的系統集成度可更好地支持通信、音頻視頻廣播、軍事和航空、工業、科學以及醫療市場中的高性能應用。利用Virtex-5 FXT平臺，此類應用的設計人員可以提高整體系統性能、最小化電路板復雜度并降低系統成本。

Virtex-5系列

無論在產品可用性還是為客戶提供的多種選擇方面， Virtex-5系列FPGA平臺都是業界領先的高密度65nm FPGA產品。Virtex-5系列是Virtex系列FPGA的第5代產品。基于其獨特的ASMBL架構，Virtex-5系列提供了四個領域優化的平臺共24款器件供客戶選擇：

LX – 針對邏輯應用領域而優化

LXT – 針對支持低功耗串行連接邏輯應用領域而優化

SXT – 針對支持串行連接的DSP應用領域而優化

FXT – 針對支持高速串行連接的嵌入式處理應用領域而優化

該系列器件提供了一系列創新的特性，包括：

新的CLB和增強的布線技術支持超快ExpressFabric? 技術

LXT、SXT和FXT平臺提供完全集成的PCI Express? 端點模塊

LXT、SXT、FXT平臺提供完全集成的三模式(0/100/1000 Mbps)以太網MAC模塊

提供ECC選擇的36Kbit 雙端口BRAM/FIFO模塊

帶PLL 的550Mhz時鐘管理管道(CMT)

支持ChipSync技術的SelectIO

第二代稀疏鋸齒形(Sparse Chevron) 封裝技術支持增強引腳輸出功能

多位流管理和多種細粒度幀尺寸方便進行部分重配置

Virtex-5 FXT平臺增加的系統集成主要特性包括：

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)優化組合

表1：Virtex-5 FXT產品一覽

PowerPC 440處理器模塊

PowerPC 440處理器已經廣泛應用于賽靈思公司高密度FPGA所面向的細分市場中的眾多系統應用中，并且經受了測試和驗證。Virtex-5 FXT FPGA率先提供了同時符合兩個業界標準的PowerPC 440處理器，其增強的系統性能可支持設計人員快速容易地實現先進的可升級嵌入式處理應用。每個處理器集成32KB指令和32KB數據緩存，在550MHz時鐘下可以提供高達1,100 DMIPS的性能。

大幅提高系統處理性能的關鍵是通過多通道、高效、并發高速數據訪問來提高總體數據吞吐能力。為達到這一目的，新集成的5x2 縱橫交換式處理器互連架構與PowerPC 440處理器緊密耦合，提供并發I/O和存儲器訪問能力(圖1)。這一高度集成的架構支持5個主PLB(處理器局部總線)接口和兩個從接口、四個獨立收發全雙工信道DMA端口和一個專用存儲器總線接口，因此存儲器帶寬最高可達此前解決方案的5倍。在新的硬核化縱橫交換式架構管理下，系統支持并發訪問多個128位總線(原來為64位)的數據，從而進一步擴大系統吞吐能力。先進的PLB架構支持高吞吐量128位接口，可縮小系統瓶頸，從而最大化處理器、縱橫開關式交換構造以及軟IP邏輯之間的數據傳輸能力。

圖 1.PowerPC 440模塊包括PowerPC 440內核和新的互連架構

與這一新架構形成互補的是，這一平臺集成的增強高性能輔助處理器控制單元(APU)接口允許用戶可以構造輔助處理器來執行非PowerPC 440指令集的指令。這樣就為視頻處理、3D數據處理和浮點算術等應用中的專用協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平臺支持最熱門的數字I/O和數千兆位(multi-gigabit)串行I/O技術，提供多達24個全功能RocketIO? 千兆級收發器(GTX)。這些增強的收發器現在可以支持從500Mbps到6.5Gbps的數據速率。Virtex-5 FXT GTX收發器是目前Virtex-5系列中速度最快的，不僅擴展了Virtex-5 LXT和SXT FPGA中得到驗證的收發器架構，同時也方便了在Virtex-5 LXT、SXT & FXT平臺間的設計移植。

在附加高數據速率性能的同時6.5Gbps速率時每通道消耗的典型功耗只有200mW。當運行在較低的3.75 Gbps速率時，每通道功耗僅100mW。

除了更高的串行I/O性能以外，還增強了一些其它關鍵特性。為提高這些高速信號的信號完整性，集成了4抽頭決策反饋均衡器(DFE)、線性均衡器和發送預加重補償。決策反饋均衡器(DFE)是一種非線性均衡器，利用前檢測決策來消除當前解調脈沖的符號間干擾(ISI)。DFE的優點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。

GTX收發器提供了一種新的靈活速率變換器，或變速箱，支持主要領先協議的8B/10B, 64B/66B 和 64B/67B編碼和同步。獨立的發送和接收數據流支持全雙工操作。

用于PCI Express?、Gigabit Ethernet 和 XAUI的完整協議包為設計成功提供了一個低風險的路徑。該協議包還可為SONET OC-48/SDH STM-16 和 CPRI (Common Public Radio Interface)提供專用協議參數報告，從而能夠在采用新的串行協議時更有信心。每一標準協議包都包括針對特定協議物理層的特性描述報告、互操作性和兼容性報告、知識產權(IP)內核以及技術文檔，支持用戶高效且低風險地在Virtex?-5 FPGA中實現標準的高速串行協議。

系統級數字信號處理

Virtex-5 FXT平臺的DSP性能對于其作為終極系統集成平臺的價值做出了重要貢獻。基本上，與傳統DSP處理器的固定架構相比，FPGA提供的DSP性能高出幾個數量級。目前越來越多的通信和多媒體系統都需要高于4MSPS的DSP性能，因此已經遠遠超出了大多數獨立DSP處理器的極限。

利用FPGA可以方便地構造出高度并行的處理架構，能夠在單個時鐘周期里完成復雜的算法，從而單片器件就可以提供數以百計的MSPS性能。在如此高的DSP性能水平，設計人員可以選擇降低FPGA的時鐘速率來節省功耗，也可以選擇實現更多通道來降低系統成本并降低材料清單成本(BOM)。

Virtex-5 FPGA 系列高性能DSP功能的關鍵是其DSP48E 邏輯片。這些邏輯片能夠高效執行大多數數字濾波器底層運算的乘法累加操作。含內建乘法器模塊的FPGA支持以專用硬件實現更寬輸入的濾波器，從而使DSP設計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384個內建18x25 DSP邏輯片)，可以在500MHz時鐘頻率下提供高達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到25 x 18。與更寬的數據路徑和96位累加輸出相配合可以支持更高精度的單精度浮點運算。同時，DSP48E邏輯片在高精度濾波器工作時消費的資源也更少。

除了快速的邏輯執行速度以外，高性能系統還需要處理單元具備快速吞吐大量數據的能力。Virtex FPGA提供了兩種互補的方法來構建高效的存儲器結構：

查找表(LUT)邏輯結構中的存儲器單元構成的分布式RAM可以支持實現64位移位寄存器。

36Kb模塊的嵌入式BlockRAM 結構可提供多達16.5 Mb的存儲器。

由于嵌入式BlockRAM結構在芯片上是與DSP48E邏輯片鄰近的，因此它們為向濾波器架構供應數據提供了超高帶寬方法。FXT平臺可提供高達16.5Mb的內部存儲器和163 GBytes/s聚集IO性能的總IO帶寬，可以滿足系統級要求。

高系統集成度進一步提高性能

Virtex-5 FXT FPGA系統集成度的增強進一步提高了性能，這主要是由于整個平臺處理子系統改善的復合效應。采用縱橫交換式互連架構來代替單共享總線互連方式，利用多個獨立總線組成的網絡來并行完成數據傳輸，從而改善了總體系統性能。多個運算操作可同時進行，減少了堵塞和等待時間。利用128數據傳輸則進一步提高了系統數據吞吐能力。

圖 2.在Virtex-5 FXT平臺上，新的PowerPC 440處理器模塊接口通過硬交換式互連構造與硬核三模以太網MAC連接。

例如，圖2中所示的千兆以太網設計顯示出縱橫交換式結構中存儲器控制器(構造中生成的軟控制器)與存儲器控制器接口(MCI)的典型連接。由于這是一個獨立于其它訪問操作(如外設處理)的專用端口，因此總延遲和帶寬也獲得改善。外設(軟)附加到PLB46總線，并連接到縱橫交換構造上獨立的主PLB(MPLB)端口。

千兆以太網通過新集成的硬件DMA控制器之一連接到系統。DMA引擎也接口到縱橫交換構造。在需要時，這一交換構造成為DMA引擎與主存儲器的連接路徑。千兆以太網設計還利用了Virtex-5 FXT平臺中的硬核千兆以太網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平臺的千兆位以太網系統與基于Virtex-4 FX平臺的同樣系統相比，性能提高了2.7倍。這一性能提升是指總體系統吞吐能力的提升，而非僅僅是處理器、外設或I/O。

應用

眾多復雜應用如有線和無線通信、音頻/視頻廣播、航空和國防以及工業科學和醫療等四大關鍵行業所提出的高度多元化的苛刻要求， 使得Virtex-5 FXT平臺復合系統集成應運而生。這些市場中的客戶對于賽靈思FXT產品線的發展做出了重要貢獻，他們的共同推動， 使得器件配置能夠滿足FPGA邏輯、嵌入式處理、DSP、存儲器和串行IO等所有方面的要求。

通信

無線通信市場是一個變化快速且具有挑戰性的環境。系統設計人員始終面臨提供新解決方案的挑戰，或者是為了降低現有產品成本，或者是提供無風險的基礎設施遷移方法，為現有以及下一代技術(如3GPP-LTE 和 WiMAX)提供高效的支持。

圖 3.采用Virtex-5 FX100T器件的下一代無線基站(LTE)。

在這一應用中采用賽靈思Virtex-5 FXT FPGA可保證處理器子系統、DSP賦能的FPGA構造以及高速通信之間的緊密耦合和集成。這一LTE基帶參考系統的硬件和軟件單元的集成都利用標準硬件電路板在單片Virtex-5 FX100T器件上實現。

音頻/視頻廣播

IP視頻(Video-Over-IP)系統利用MPEG-2等壓縮標準對視頻流進行編碼。然后，該系統利用因特網協議(IP)實現網絡上不同點之間編碼位流的傳輸。與網絡上非時間關鍵的其它業務流量不同，視頻數據必須遵守嚴格的服務質量(QoS)要求才能夠滿足視頻要求。

目前利用視頻處理器、用于加速或完成實時算法的可編程邏輯、以及用于網絡通信的以太網解決方案構成的分塊式解決方案也可以滿足這些要求。但Virtex-5 FXT FPGA是業界首個在單個可編程SOC芯片上實現了所有這些功能。

圖 4.IP視頻(Video-Over-IP)系統集成圖顯示高級要求

終極設計解決方案

很顯然，這一終極系統集成平臺需要一個統一的設計環境。這一設計環境可以充分發揮賽靈思FPGA器件中所集成的系統級平臺單元和豐富功能，保證最佳的設計生產力和系統性能。

為此，賽靈思公司推出了ISE Design Suite 10.1版軟件套件。該套件為系統設計小組提供了創建集靈活的FPGA邏輯、嵌入式處理、高速串行IO、DSP、板上存儲器設計和接口以及可定制IP模塊于一體的高級最終解決方案所需要的所有開發和調試工具。ISE 設計套件集成了多種屢獲殊榮的設計工具和技術，可方便和加快系統開發。該套件包括以下工具：

FPGA設計環境

ISE Foundation 軟件和ISE WebPACK 軟件 (免費下載)

PlanAhead 設計和分析工具以及PlanAhead Lite

SmartXplorer 嵌入式處理設計環境

Xilinx Platform Studio 和嵌入式開發套件( Embedded Development Kit (EDK))

DSP設計環境

System Generator for DSP AccelDSP Synthesis Tool

平臺調試支持

ChipScope Pro 工具

ChipScope Pro 串行 I/O 工具集

作為 ISE Design Suite的一部分， ISE Foundation軟件是業界首屈一指的FPGA邏輯設計工具集。與ISE Foundation一起提供的還有賽靈思公司PlanAhead設計分析工具，為適配到賽靈思FPGA器件的設計提供了強大的分析和布局功能。此外，SmartXplorer技術則使設計人員能夠每天完成更多次物理實現，同時性能也可進一步提高多達38%。

對嵌入式系統設計，Xilinx Platform Studio和嵌入式開發套件 (EDK)提供了一個綜合硬件和軟件設計環境，可加速嵌入式系統的設計速度。

XtremeDSP開發工具包包括了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 建模環境開發的DSP算法在FPGA硬件中實現。

ChipScope Pro可通過針對“平臺”器件的調試，能夠發現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估和測量高速串行I/O通道的位錯率(BER)。

總結

系統集成對于電子行業來說始終是一項具有戰略意義的價值無法衡量的基本方法。通過系統集成可以降低成本、提高性能并使系統級技術走向下一個里程碑，將原來需要整整一個機箱才能完成的工作縮小到電路板大小，將電路板實現的功能集成到IC(ASIC和ASSP)中。

結合FPGA的靈活性和可編程能力這些基本優勢，嵌入式處理、DSP性能和高速串行連接能力的強大融合使得賽靈思公司的最新產品Virtex-5 FXT FPGA成為終極系統集成平臺。

責任編輯：gt