Virtex-5 FXT FPGA终极设计解决方案

Virtex-5 FXT FPGA – 终极系统集成平台

由于众多不断增加和演化的标准、苛刻的处理要求以及不断降低的成本和时间预算，数字融合时代加速了对FPGA基本价值主张的依赖性。这些基本价值主张是：灵活性、现场可升级能力、优异的信号处理能力、更快的产品上市时间、降低风险、适应不断演化的标准以及降低系统成本。 Virtex-5平台建立在这些丰富价值的基础上，再加上高速串行连接功能和嵌入式处理能力，从而构成了终极系统集成平台。

Virtex-5 FXT平台是唯一结合了业界标准的550MHz PowerPC440嵌入式处理器内核、DSP和高速串行I/O功能的FPGA，其无与伦比的系统集成度可更好地支持通信、音频视频广播、军事和航空、工业、科学以及医疗市场中的高性能应用。利用Virtex-5 FXT平台，此类应用的设计人员可以提高整体系统性能、最小化电路板复杂度并降低系统成本。

Virtex-5系列

无论在产品可用性还是为客户提供的多种选择方面， Virtex-5系列FPGA平台都是业界领先的高密度65nm FPGA产品。Virtex-5系列是Virtex系列FPGA的第5代产品。基于其独特的ASMBL架构，Virtex-5系列提供了四个领域优化的平台共24款器件供客户选择：

LX – 针对逻辑应用领域而优化

LXT – 针对支持低功耗串行连接逻辑应用领域而优化

SXT – 针对支持串行连接的DSP应用领域而优化

FXT – 针对支持高速串行连接的嵌入式处理应用领域而优化

该系列器件提供了一系列创新的特性，包括：

新的CLB和增强的布线技术支持超快ExpressFabric? 技术

LXT、SXT和FXT平台提供完全集成的PCI Express? 端点模块

LXT、SXT、FXT平台提供完全集成的三模式(0/100/1000 Mbps)以太网MAC模块

提供ECC选择的36Kbit 双端口BRAM/FIFO模块

带PLL 的550Mhz时钟管理管道(CMT)

支持ChipSync技术的SelectIO

第二代稀疏锯齿形(Sparse Chevron) 封装技术支持增强引脚输出功能

多位流管理和多种细粒度帧尺寸方便进行部分重配置

Virtex-5 FXT平台增加的系统集成主要特性包括：

完全集成的PowerPC 440处理器模块和128位互连

高性能GTX 6.5 Gbps 串行 I/O

XtremeDSP? 逻辑片 (DSP48E逻辑片)优化组合

表1：Virtex-5 FXT产品一览

PowerPC 440处理器模块

PowerPC 440处理器已经广泛应用于赛灵思公司高密度FPGA所面向的细分市场中的众多系统应用中，并且经受了测试和验证。Virtex-5 FXT FPGA率先提供了同时符合两个业界标准的PowerPC 440处理器，其增强的系统性能可支持设计人员快速容易地实现先进的可升级嵌入式处理应用。每个处理器集成32KB指令和32KB数据缓存，在550MHz时钟下可以提供高达1,100 DMIPS的性能。

大幅提高系统处理性能的关键是通过多通道、高效、并发高速数据访问来提高总体数据吞吐能力。为达到这一目的，新集成的5x2 纵横交换式处理器互连架构与PowerPC 440处理器紧密耦合，提供并发I/O和存储器访问能力(图1)。这一高度集成的架构支持5个主PLB(处理器局部总线)接口和两个从接口、四个独立收发全双工信道DMA端口和一个专用存储器总线接口，因此存储器带宽最高可达此前解决方案的5倍。在新的硬核化纵横交换式架构管理下，系统支持并发访问多个128位总线(原来为64位)的数据，从而进一步扩大系统吞吐能力。先进的PLB架构支持高吞吐量128位接口，可缩小系统瓶颈，从而最大化处理器、纵横开关式交换构造以及软IP逻辑之间的数据传输能力。

图 1.PowerPC 440模块包括PowerPC 440内核和新的互连架构

与这一新架构形成互补的是，这一平台集成的增强高性能辅助处理器控制单元(APU)接口允许用户可以构造辅助处理器来执行非PowerPC 440指令集的指令。这样就为视频处理、3D数据处理和浮点算术等应用中的专用协处理引擎或用户专用定制指南提供了支持。

高速串行连接能力

Virtex-5 FXT平台支持最热门的数字I/O和数千兆位(multi-gigabit)串行I/O技术，提供多达24个全功能RocketIO? 千兆级收发器(GTX)。这些增强的收发器现在可以支持从500Mbps到6.5Gbps的数据速率。Virtex-5 FXT GTX收发器是目前Virtex-5系列中速度最快的，不仅扩展了Virtex-5 LXT和SXT FPGA中得到验证的收发器架构，同时也方便了在Virtex-5 LXT、SXT & FXT平台间的设计移植。

在附加高数据速率性能的同时6.5Gbps速率时每通道消耗的典型功耗只有200mW。当运行在较低的3.75 Gbps速率时，每通道功耗仅100mW。

除了更高的串行I/O性能以外，还增强了一些其它关键特性。为提高这些高速信号的信号完整性，集成了4抽头决策反馈均衡器(DFE)、线性均衡器和发送预加重补偿。决策反馈均衡器(DFE)是一种非线性均衡器，利用前检测决策来消除当前解调脉冲的符号间干扰(ISI)。DFE的优点是其工作在无噪声的量化电平上，因此其输出与信道噪声无关。

GTX收发器提供了一种新的灵活速率变换器，或变速箱，支持主要领先协议的8B/10B, 64B/66B 和 64B/67B编码和同步。独立的发送和接收数据流支持全双工操作。

用于PCI Express?、Gigabit Ethernet 和 XAUI的完整协议包为设计成功提供了一个低风险的路径。该协议包还可为SONET OC-48/SDH STM-16 和 CPRI (Common Public Radio Interface)提供专用协议参数报告，从而能够在采用新的串行协议时更有信心。每一标准协议包都包括针对特定协议物理层的特性描述报告、互操作性和兼容性报告、知识产权(IP)内核以及技术文档，支持用户高效且低风险地在Virtex?-5 FPGA中实现标准的高速串行协议。

系统级数字信号处理

Virtex-5 FXT平台的DSP性能对于其作为终极系统集成平台的价值做出了重要贡献。基本上，与传统DSP处理器的固定架构相比，FPGA提供的DSP性能高出几个数量级。目前越来越多的通信和多媒体系统都需要高于4MSPS的DSP性能，因此已经远远超出了大多数独立DSP处理器的极限。

利用FPGA可以方便地构造出高度并行的处理架构，能够在单个时钟周期里完成复杂的算法，从而单片器件就可以提供数以百计的MSPS性能。在如此高的DSP性能水平，设计人员可以选择降低FPGA的时钟速率来节省功耗，也可以选择实现更多通道来降低系统成本并降低材料清单成本(BOM)。

Virtex-5 FPGA 系列高性能DSP功能的关键是其DSP48E 逻辑片。这些逻辑片能够高效执行大多数数字滤波器底层运算的乘法累加操作。含内建乘法器模块的FPGA支持以专用硬件实现更宽输入的滤波器，从而使DSP设计人员可以获得更高的性能。Virtex-5 FXT FPGA提供高比率的DSP逻辑片(含高达384个内建18x25 DSP逻辑片)，可以在500MHz时钟频率下提供高达192 GMACs/秒的性能。与Virtex-4中的18 x 18乘法器相比，Virtex-5 DSP48E逻辑片中的乘法器达到25 x 18。与更宽的数据路径和96位累加输出相配合可以支持更高精度的单精度浮点运算。同时，DSP48E逻辑片在高精度滤波器工作时消费的资源也更少。

除了快速的逻辑执行速度以外，高性能系统还需要处理单元具备快速吞吐大量数据的能力。Virtex FPGA提供了两种互补的方法来构建高效的存储器结构：

查找表(LUT)逻辑结构中的存储器单元构成的分布式RAM可以支持实现64位移位寄存器。

36Kb模块的嵌入式BlockRAM 结构可提供多达16.5 Mb的存储器。

由于嵌入式BlockRAM结构在芯片上是与DSP48E逻辑片邻近的，因此它们为向滤波器架构供应数据提供了超高带宽方法。FXT平台可提供高达16.5Mb的内部存储器和163 GBytes/s聚集IO性能的总IO带宽，可以满足系统级要求。

高系统集成度进一步提高性能

Virtex-5 FXT FPGA系统集成度的增强进一步提高了性能，这主要是由于整个平台处理子系统改善的复合效应。采用纵横交换式互连架构来代替单共享总线互连方式，利用多个独立总线组成的网络来并行完成数据传输，从而改善了总体系统性能。多个运算操作可同时进行，减少了堵塞和等待时间。利用128数据传输则进一步提高了系统数据吞吐能力。

图 2.在Virtex-5 FXT平台上，新的PowerPC 440处理器模块接口通过硬交换式互连构造与硬核三模以太网MAC连接。

例如，图2中所示的千兆以太网设计显示出纵横交换式结构中存储器控制器(构造中生成的软控制器)与存储器控制器接口(MCI)的典型连接。由于这是一个独立于其它访问操作(如外设处理)的专用端口，因此总延迟和带宽也获得改善。外设(软)附加到PLB46总线，并连接到纵横交换构造上独立的主PLB(MPLB)端口。

千兆以太网通过新集成的硬件DMA控制器之一连接到系统。DMA引擎也接口到纵横交换构造。在需要时，这一交换构造成为DMA引擎与主存储器的连接路径。千兆以太网设计还利用了Virtex-5 FXT平台中的硬核千兆以太网MAC，因此可以利用更少的资源并降低功耗。

将上述基于Virtex-5 FXT平台的千兆位以太网系统与基于Virtex-4 FX平台的同样系统相比，性能提高了2.7倍。这一性能提升是指总体系统吞吐能力的提升，而非仅仅是处理器、外设或I/O。

应用

众多复杂应用如有线和无线通信、音频/视频广播、航空和国防以及工业科学和医疗等四大关键行业所提出的高度多元化的苛刻要求， 使得Virtex-5 FXT平台复合系统集成应运而生。这些市场中的客户对于赛灵思FXT产品线的发展做出了重要贡献，他们的共同推动， 使得器件配置能够满足FPGA逻辑、嵌入式处理、DSP、存储器和串行IO等所有方面的要求。

通信

无线通信市场是一个变化快速且具有挑战性的环境。系统设计人员始终面临提供新解决方案的挑战，或者是为了降低现有产品成本，或者是提供无风险的基础设施迁移方法，为现有以及下一代技术(如3GPP-LTE 和 WiMAX)提供高效的支持。

图 3.采用Virtex-5 FX100T器件的下一代无线基站(LTE)。

在这一应用中采用赛灵思Virtex-5 FXT FPGA可保证处理器子系统、DSP赋能的FPGA构造以及高速通信之间的紧密耦合和集成。这一LTE基带参考系统的硬件和软件单元的集成都利用标准硬件电路板在单片Virtex-5 FX100T器件上实现。

音频/视频广播

IP视频(Video-Over-IP)系统利用MPEG-2等压缩标准对视频流进行编码。然后，该系统利用因特网协议(IP)实现网络上不同点之间编码位流的传输。与网络上非时间关键的其它业务流量不同，视频数据必须遵守严格的服务质量(QoS)要求才能够满足视频要求。

目前利用视频处理器、用于加速或完成实时算法的可编程逻辑、以及用于网络通信的以太网解决方案构成的分块式解决方案也可以满足这些要求。但Virtex-5 FXT FPGA是业界首个在单个可编程SOC芯片上实现了所有这些功能。

图 4.IP视频(Video-Over-IP)系统集成图显示高级要求

终极设计解决方案

很显然，这一终极系统集成平台需要一个统一的设计环境。这一设计环境可以充分发挥赛灵思FPGA器件中所集成的系统级平台单元和丰富功能，保证最佳的设计生产力和系统性能。

为此，赛灵思公司推出了ISE Design Suite 10.1版软件套件。该套件为系统设计小组提供了创建集灵活的FPGA逻辑、嵌入式处理、高速串行IO、DSP、板上存储器设计和接口以及可定制IP模块于一体的高级最终解决方案所需要的所有开发和调试工具。ISE 设计套件集成了多种屡获殊荣的设计工具和技术，可方便和加快系统开发。该套件包括以下工具：

FPGA设计环境

ISE Foundation 软件和ISE WebPACK 软件 (免费下载)

PlanAhead 设计和分析工具以及PlanAhead Lite

SmartXplorer 嵌入式处理设计环境

Xilinx Platform Studio 和嵌入式开发套件( Embedded Development Kit (EDK))

DSP设计环境

System Generator for DSP AccelDSP Synthesis Tool

平台调试支持

ChipScope Pro 工具

ChipScope Pro 串行 I/O 工具集

作为 ISE Design Suite的一部分， ISE Foundation软件是业界首屈一指的FPGA逻辑设计工具集。与ISE Foundation一起提供的还有赛灵思公司PlanAhead设计分析工具，为适配到赛灵思FPGA器件的设计提供了强大的分析和布局功能。此外，SmartXplorer技术则使设计人员能够每天完成更多次物理实现，同时性能也可进一步提高多达38%。

对嵌入式系统设计，Xilinx Platform Studio和嵌入式开发套件 (EDK)提供了一个综合硬件和软件设计环境，可加速嵌入式系统的设计速度。

XtremeDSP开发工具包包括了System Generator for DSP和AccelDSP 综合工具。利用这些工具，可以方便地将利用The MathWorks?公司广受欢迎的MATLAB? 和 Simulink? DSP 建模环境开发的DSP算法在FPGA硬件中实现。

ChipScope Pro可通过针对“平台”器件的调试，能够发现深藏在硬件和软件之中的嵌入式缺陷。ChipScope Pro Serial I/O工具集支持用户快速评估和测量高速串行I/O通道的位错率(BER)。

总结

系统集成对于电子行业来说始终是一项具有战略意义的价值无法衡量的基本方法。通过系统集成可以降低成本、提高性能并使系统级技术走向下一个里程碑，将原来需要整整一个机箱才能完成的工作缩小到电路板大小，将电路板实现的功能集成到IC(ASIC和ASSP)中。

结合FPGA的灵活性和可编程能力这些基本优势，嵌入式处理、DSP性能和高速串行连接能力的强大融合使得赛灵思公司的最新产品Virtex-5 FXT FPGA成为终极系统集成平台。

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