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基于FPGA的低成本PCI Express解决方案

上网日期: 2006年11月07日 ?? 作者: Naseem Aslam ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:FPGA? PCI Express总线? 嵌入式?

PCI Express作为PCI的后继标准正在迅速确立其地位。该标准可以为下一代系统提供更高的性能、更强的灵活性以及可升级性,同时保持与现有PCI设备的软件兼容性。随着PCI Express逐渐成为前沿嵌入式应用的互连标准,系统设计人员必须满足与这一新协议可用性相关的一些挑战。目前的FPGA就可以为低成本产品市场提供易用的PCI Express解决方案。

随着FPGA的密度大幅提高,以及嵌入式知识产权(IP)和更高密度的I/O互连技术不断发展,FPGA已经从胶联逻辑发展成可在数字系统实现中提供具有强大集成功能的元件。FPGA的高门数、强大性能以及对各种第三方EDA工具的支持,使得设计人员可采用与ASIC器件相同的设计流程来创建FPGA系统。

为了推进PCI Express在低成本大批量产品中的应用,业界开发出低成本的FPGA和外部x1 PCI Express接口。这些功能独特的器件完全可以替代诸如ASIC那样的高成本、高风险解决方案,并提供具有更高性价比、更大灵活性和无风险的替代方案(如图所示)。

尽管一些ASIC和ASSP也能提供高度集成的PCI Express解决方案,但利用FPGA和外部x1 PHY实现PCI Express有诸多方面的好处。新一代产品正以无比快速的速度推向市场,同时市场成功的机会窗口越来越窄,使得制造商们必须寻找新的、灵活的、低成本的快速开发方案。

FPGA和x1 PHY低成本PCI Express方案的优势

FPGA和x1 PHY可以提供快速、低成本的产品开发周期以及显著的产品差异化特性,从而有助于增加产品赢利和快速切入市场的机会。虽然ASSP和ASIC可以为PCI Express解决方案提供低成本的固定平台,但ASSP削弱了产品的差异化能力和新增用户需求的能力,而ASIC在准时交货方面存在严重问题,并且开发成本非常高,因而依赖于ASIC或ASSP的设计解决方案会失去市场先机。此外,许多ASSP需要提供当前设计并不要求的一些固定功能,因此这些器件只能采用价格更高、引脚数量更多的封装。

采用ASIC的设计成本还在不断上升。除了非重复工程(NRE)和掩膜成本外,开发成本也会随着ASIC设计复杂性的增加而增加。而且诸如功耗、信号完整性、时钟树综合和制造缺陷等问题还会增加巨大的风险,并延迟产品上市时间。由于FPGA可以避免再次流片的风险、高额的NRE成本,减少上市时间延迟,因此可以提供可行的、具有高度竞争能力的ASIC开发替代方案。

设计人员必须认识到并不是每种应用都需要由许多PCI Express ASSP器件提供的完整功能。在连接外部x1收发器的一种灵活、低成本FPGA中实现的单端口x1 PCI Express就可以成为性能集和成本方面的最优方案。借助FPGA,开发的工作重点就可以放在一些关键性能的实现上,从而尽快确立产品的市场领导地位。如果采用ASIC或ASSP实现标准但复杂的功能,那么使用PLD或结构化ASIC就可实现最新的高价值性能。这种方法允许通过较长时间增加差异化性能,并且能比其它硅片技术实现更快的创新。

使用FPGA的另外一个好处是集成。当设计中已经采用了FPGA,并且想要增加PCI Express功能时,FPGA和x1 PHY解决方案会使PCI Express的集成变得非常简单。唯一要做的就是将PCI Express IP增加到设计中,并将x1 PHY与现有FPGA连接起来。在这种情况下,PCI Express IP应包含事务层、数据链路层、MAC子层和用于连接PCI Express接口的物理层接口(PIPE),这样设计人员就可以有更多的时间重点开发产品独特、差异化的部分。

这种解决方案还得益于FPGA中所集成的其它部分,例如信号处理、外部存储器接口和时钟管理等。这些功能可以用FPGA中的逻辑单元(LE)、乘法器和锁相环(PLL)等各种嵌入式资源高效实现。通过使用可编程逻辑集成包括PCI Express在内的各种功能,可以显著降低产品成本并缩小外形尺寸,同时提高设备性能。

FPGA可以为各种PCI应用提供可编程逻辑解决方案。由于PCI Express可以提供更高性能、更大灵活性以及针对下一代系统的可升级性,因此PCI Express正在快速替代PCI,并且利用板上已有的FPGA可以使这种替代过程更容易也更便宜。此外,用户还可以保持与现有PCI设备的软件兼容性。


图:采用低成本FPGA和外部x1 PHY的PCI Express实现方案

无风险解决方案

ASIC的开发周期一般至少需要一年。在这段时间内,甚至在投产以后,产品要求还会由于标准的改变、用户需求等原因而发生变化,因此最终得到的是非最优化的产品。而可编程逻辑可以解决这些问题。用户可采用FPGA降低风险,因为即使在生产完成后也可以修改设计。FPGA的可重复编程特性可以避免与ASIC设计相关的费时费钱的硅片再流片过程,以及与开发新版本ASSP相关的漫长且不确定的等待期。

为了确保实现最高的可靠性,在PCI-SIG赞助的PCI Express一致性实验室中,研究人员对基于FPGA的PCI Express解决方案的硬件进行了全面测试。设计人员可以考虑使用经过完全实现且经过测试的PCI Express部分。这对末端开口的PCI Express插槽来说尤为重要,因为这时产品必须与未知的系统制造商设备相连。

与不断演进的协议标准保持同步相当困难。根据规范变化而修改ASIC设计的成本非常昂贵,而且还会推迟产品的交付。而FPGA则可以提供灵活的、具有竞争力的性能,可以克服与ASIC相关的重新流片风险,以及高昂的NRE成本和漫长的上市时间等问题。

基于FPGA的解决方案现已成熟

采用Altera公司的FPGA和TI公司的PHY接口的解决方案现在已经成熟。与ASIC解决方案相比,基于Cyclone II FPGA和TI的外部x1 PHY实现PCI Express的解决方案可使系统成本减少65%。该方案能够很好地满足新兴的嵌入式PCI Express设备要求,如PC外设卡、视频/图像处理设备和网络设备。用户可使用Cyclone II FPGA开发出低成本、大批量的产品,比如消费类电子设备。此外,TI公司还发布了主要用于低成本FPGA的第三代PCI Express PHY芯片。

应用范围

采用FPGA和外部x1 PCI Express PHY的解决方案可以完全满足消费、存储、工业和通信等目标市场中多种低成本应用的需要。这些最终应用包括:电视调谐器、1394a/b控制器和通用I/O;工控数据采集产品;视频捕捉卡;高性能I/O架构,比如千兆以太网等。

采用该方案的一个实例是连接大型设备中千兆以太网或支架间互连的桥接设备,其最大吞吐量为2.5Gbps,用户可以用它来控制数据,代替PCI 32/33和6?/33实现方案。这种方案还可使PC和I/O插卡制造商能够过渡到PCI Express技术,同时又保持与现有PCI系统软件和固件的兼容性。

随着PCI Express逐渐成为下一代嵌入式设备的互连标准,设计人员需要能够快速方便地实现PCI Express系统的方法。低成本FPGA和外部x1 PHY芯片的组合就是理想的解决方案,该解决方案可以加快产品面市时间,增加产品的灵活性和易用性。

作者:Naseem Aslam

高级产品行销工程师

器件行销部

naslam@altera.com

Altera公司






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