VPX技術(shù)介紹

楊躍江?2009-12-18

楊躍江 13902479857 中科祥云（深圳）信息產(chǎn)業(yè)有限公司

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1VPX?技術(shù)

新型VPX(VITA 46)標(biāo)準(zhǔn)是自從VME引入后的25年來，對于VME總線架構(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)不能滿足國防和航空領(lǐng)域越來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，智能信號處理等，由于受到VME64x傳輸帶寬的限制，系統(tǒng)性能無法進(jìn)一步提高。急需要一種新體制的總線，替代現(xiàn)有的VME64x總線，以提高系統(tǒng)傳輸帶寬。

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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）描述，也稱為VPX，并成功地于2006年一月引入。這是一個里程碑，因為我們可以確信VITA46標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)設(shè)計和實現(xiàn)出來了。下一步是完成最終文檔，并且提交ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織）得到正式ANSI批準(zhǔn)。

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9B1.1 VPX高速串行總線

VPX總線是VME技術(shù)的自然進(jìn)化，它采用高速串行總線替代并行總線是其的最主要變化。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)，來支持更高的背板帶寬。這些高速串行交換可以提供每個差分對兒250MBytes/sec的數(shù)據(jù)傳輸率。如果4個信道最高1 GBytes/sec的理論速率。VPX的核心交換提供32個查分對兒，組成4個4信道端口，每個信道都是雙向的（一發(fā)送差分對兒，一接收差分兒）。VPX模塊的理論合計帶寬為8 GB/sec。

當(dāng)今基于VME總線雷達(dá)系統(tǒng)陣列中的每個系統(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當(dāng)前數(shù)據(jù)塊的處理，同時還終止了處理器對輸入數(shù)據(jù)的處理。

交換結(jié)構(gòu)使所有數(shù)據(jù)流暢通無阻，來解決這一問題，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的發(fā)展。在VITA46開發(fā)以前，雷達(dá)系統(tǒng)開始面臨主卡的性能的制約。VME主卡其中兩個最嚴(yán)重的限制是每個插槽上通過信號針的數(shù)據(jù)量限制，以及嚴(yán)重的功率浪費。VITA46通過采用高速連接器和支持先進(jìn)的交換結(jié)構(gòu)，著重解決了這兩個問題。

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)管道變得越來越大，VPX將成為解決這些新需求的新技術(shù)。

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10B1.2 VPX接插件

VPX采用了由Tyco公司開發(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)的獨特的新7排RT2連接器，與級聯(lián)塊兒和鍵一起，實現(xiàn)VITA 46模塊和背板設(shè)計。VITA 46選擇RT2連接器的目的是為了解決以下問題：

---?連接器必須可以發(fā)送信號至少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足VME標(biāo)準(zhǔn)長度，以便可以安裝PMC模塊，能夠保證0.8英寸的板間距。

---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。這是因為雖然VITA46擁有更多的接觸點，但是Tyco公司的MultiGig RT2連接器使得每個接觸點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)評估和測試基礎(chǔ)上得來的。

VITA 46?工作組對最終交付使用的VPX連接器，為VPX模塊標(biāo)準(zhǔn)做了大量的測試認(rèn)證。這些測試再現(xiàn)了一些最苛刻的環(huán)境測試，執(zhí)行了板級標(biāo)準(zhǔn)。

主要環(huán)境參數(shù)測試包括如下：

-?振動及顫動

-?溫度

-適度

-?沙塵

-?耐久

-?靜電保護(hù)

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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707個非電源電觸電

總共464個信號：

64個信號，用于核心交換的32個高速差分對

104個信號，用于實現(xiàn)VME64的

268個通用用戶I/O，其中包括128個高速差分對兒。

28個信號，用于作系統(tǒng)信號（重啟，JTAG，尋址等），其余未使用。

VPX提供最高32個網(wǎng)絡(luò)交換針，這些針的作用：

---得到更多的吞吐量

---提升性能

--實現(xiàn)網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

---減少插槽數(shù)

---無需交換插槽

---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。可選的更高的電壓輸入，可以減少背板的電流，降低重量和降低電子兼容問題產(chǎn)生。

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3B2. VPX高速串行總線

新串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)使得軍用和航空嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)得到更高的性能，同時減少系統(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——Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，優(yōu)點最多。GbE是基于IP數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)，無論是平臺間網(wǎng)絡(luò)還是在同一個背板中的子系統(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展示了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的概念。

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因為不可能有一種網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可以滿足國防和航空嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中所有的需求，所以業(yè)界各大特種計算機(jī)公司提出了分層（hierarchy）解決方案——使用GbE作為平臺間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且使用SRIO和PCIe作為底板總線交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。使用這種方式，國防和航空系統(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)。

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GbE，SRIO以及PCIe各有優(yōu)勢，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)過應(yīng)用，主要的芯片，板子大量真實評估，以及主板整體設(shè)計，一種被稱為VPX新的高性能底板問世。無論客戶應(yīng)用采用分布的、集中的，還是混合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種存在多種網(wǎng)絡(luò)交換的計算平臺，允許用戶選擇最合適的網(wǎng)絡(luò)來滿足系統(tǒng)需求設(shè)計。

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GbE可以應(yīng)用于松散耦合系統(tǒng)的鏈接，SRIO, PCIe,或兩個結(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。用戶可以使用1/10GbE交換網(wǎng)絡(luò)建立Intra-Platform Network(IPN)來有效的傳輸IPv4/v6信息包，用戶可以使用標(biāo)準(zhǔn)的電纜連接不同的系統(tǒng)，或者通過標(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。

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13B2.1高性能網(wǎng)絡(luò)1/10 Gbe交換

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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，找到某種方式將網(wǎng)絡(luò)中心引入加固國防應(yīng)用市場。

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Network Centric Warfare (NCW)學(xué)說的實現(xiàn)推動了高帶寬、高可靠的IP網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場通信的發(fā)展。隨著國防部對利用現(xiàn)有資源無縫連接到全球網(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平臺網(wǎng)絡(luò)的首選。

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將來的技術(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，足可以滿足日益增長的苛刻應(yīng)用需求。為了滿足有效地在平臺資源間傳輸音頻，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)一的方法來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸。

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通過簡單的在原來系統(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)來升級原有系統(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接口通過背板路由，這樣很容易增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。

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對于高性能網(wǎng)絡(luò)，VPX系統(tǒng)采用類似于VME64X系統(tǒng)的集中交換結(jié)構(gòu)，（例如一個VPX交換/路由卡或者一個X/PMC交換卡）通過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標(biāo)準(zhǔn)，其中的最流行的幾個標(biāo)準(zhǔn)和特性包括：

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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一般用于堆棧或者作為數(shù)據(jù)干路的10 GbE交換卡。

每個GbE接口是10 Mb/s, 100 Mb/s,和1 Gb/s自適應(yīng),?或者通過鏈接代理得到多種速率，提供高性能連接。

以太網(wǎng)未來的標(biāo)準(zhǔn)將會發(fā)展到背板上支持802.3ap (一個信道的1000Base,四個信道的10GBaseKX4以及一個信道的10GBaseKR)。

新一代1/10 GbE交換芯片將很快投入市場，每個口運行速度可以在1,2.5,5,和10 Gb/s。

優(yōu)化的1和10 GbE NIC芯片即將投入市場，它可以通過遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問(RDMA)和TCP卸載引擎（TOE)消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸(舉例來說：一個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)

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由于采用RDMA和TOE技術(shù)減輕了1/10 GbE終端節(jié)點的瓶頸和TCP/IP協(xié)議握手所花費的處理器額外負(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。

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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)主要的軍用平臺的決定因素，是降低成本提高性能。

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14B2.2?串行RapidIO?發(fā)展壯大

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SRIO,?高速串行交換結(jié)構(gòu)技術(shù)，正在多處理器信號處理應(yīng)用例如雷達(dá)，聲納，自動目標(biāo)識別以及信號智能等高性能數(shù)據(jù)傳輸扮演越來越重要的角色。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)品開發(fā)會很容易成功。SRIO特性包括：

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每組包括一個發(fā)差分兒送及一個接收差分兒（稱為一個信道）1.25,2.5,或者3.125 Gb/s信號速率，每個信道單方向最高可以到312.5 Mbytes/s

每個SRIO口可以有一個或者四個信道，?每個口單方向最高的理論數(shù)據(jù)速度為1.25Gbytes/s

8B/10B編碼以，端對端封包CRC校驗

四級優(yōu)先權(quán)

采用消息和門鈴方式進(jìn)行有效的處理器間通信。用于高可靠應(yīng)用的冗余路由。

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SRIO在建立多處理器系統(tǒng)時，與同類產(chǎn)品相比較有很多不同。SRIO為點對點通信設(shè)計，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)，這對構(gòu)建變化多端的數(shù)據(jù)流DSP系統(tǒng)是非常重要的。

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最近軍事及航空信號處理市場最重要的變化是VPX模塊格式的引入。VPX格式協(xié)議（包含VITA 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SRIO的信號速度的現(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，也就是我們常說的"交換串行背板"。在VPX中，核心網(wǎng)絡(luò)包含4個四信道?SRIO口。在SRIO 3.125 Gb/s的信號速率時，VPX板可以訪問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，幾個領(lǐng)先的嵌入式廠商包括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

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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開始移植到先進(jìn)的單板計算機(jī)和數(shù)字信號處理器模塊中，部署于軍用及航空應(yīng)用設(shè)計中。由于在PC市場的普及，使得低成本成為優(yōu)勢，技術(shù)上說，PCIe確實是一種先進(jìn)的連接技術(shù)。它的主要特性包括：

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點對點通信：每個鏈接（點對點連接）可由1，2，4，8，16，或者32信道組成。

每個lane由一個傳輸和一個接收對兒組成，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。

每個數(shù)據(jù)位采用8B/10B編碼和每個信息包端對端CRC提供充分的錯誤校驗。

它的信息包承認(rèn)協(xié)議，在錯誤時自動重發(fā)，提供端對端可靠數(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)則性來降低EMI（消除長序列1或者0，目的是消除長電平，強(qiáng)制方波）

它的電信號層采用了pre-emphasis/de-emphasis來優(yōu)化信號完整性，允許低印刷電路和接頭原料成本

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商業(yè)PC市場出現(xiàn)了基于PCIe的各種各樣的板子，這些基于PCIe的模塊的標(biāo)準(zhǔn)包括：

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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)，來自PC/104 Consortium

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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)布了幾個版本。包括先前提及的VPX和VITA 42。VITA 42（也稱為VMC"交換Mezzanine卡"）是廣泛應(yīng)用在VME和CompactPCI PMC格式的擴(kuò)展。VITA42通過在模塊上增加兩個高速接頭，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PCIe進(jìn)行多個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)采集模塊等高級應(yīng)用。

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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背板接頭和兩個VITA XMC插槽。

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4B3. PowerPC處理器

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如今國防和航空系統(tǒng)設(shè)計師們在選擇他們下一代DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時有著很多的選擇。DSP和通用處理器市場充斥著各種構(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、功率和價格。在眾多選擇中，Power構(gòu)架成為了能滿足軍用航空系統(tǒng)需求的少數(shù)處理器之一。為什么這個90年代初才引入的構(gòu)架能一直牢牢把握這個特殊市場呢？他未來還能一直領(lǐng)導(dǎo)這個市場嗎？Power構(gòu)架的演變過程瞄準(zhǔn)嵌入式應(yīng)用，一直保持低功率、高性能的特點。該構(gòu)架還將繼續(xù)演變，以適應(yīng)未來更復(fù)雜的應(yīng)用。

16B3.1 Power構(gòu)架的演變

最初的PowerPC構(gòu)架是由蘋果，IBM和摩托羅拉公司共同研制的，他針對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，他是針對嵌入式市場設(shè)計的指令集。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)計師能夠平衡性能和功率因素。

AltVec單指令多數(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。這個擴(kuò)展功能于1999年引入，AltVec作為MPC74xx處理器的一部分，蘋果公司的G4 Macintosh系列電腦采用了這款處理器。這個革命也為DSP世界帶來了突破，用戶除了專用DSP芯片有更多的選擇，因為AltVec技術(shù)使得處理器內(nèi)核進(jìn)行向量處理。許多軍事應(yīng)用要求支持浮點運算，AltiVec技術(shù)可以提供，因為富電源算比定點運算效率更高，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)用對成本非常敏感，這些應(yīng)用對執(zhí)行效率和支持浮點運算提出更高的要求。有趣的是直到Power.Org官方將AltiVec寫進(jìn)ISA2.0.3發(fā)布版本，在這之前他從來就沒有作為PowerPC構(gòu)架的一部分。

表一

今天，對于很多航空和國防DSP應(yīng)用，AltVec技術(shù)都是一種標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)方法。他支持多種實時操作系統(tǒng)。專用DSP芯片由于不支持標(biāo)準(zhǔn)的實時操作系統(tǒng)，采用專用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)商提供的高級的工具。

Power構(gòu)架另外一個重要的優(yōu)點是低功耗。隨著需求的增長，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)開發(fā)商開始在一個芯片內(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。雙核處理器可以釋放出雙倍的性能，但與兩個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，要知道班子空間對軍事和航空設(shè)計師是非常重要的。另外，這樣可以解決更高級的系統(tǒng)功率，因為單個芯片更強(qiáng)大，集成更多的功能。

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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，滿足SwaP（空間，重量和功率）日益增長的需求，適應(yīng)雷達(dá)和信號處理等應(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)存總線的帶寬，從而提高了系統(tǒng)的速度。這在大量消耗DRAM開款的DSP系統(tǒng)中非常重要，因為這樣的系統(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)時是不工作的，此時沒有處理數(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，以兩倍速度運行，并且擁有兩個bank（Discovery III一個），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)點在于內(nèi)置支持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，是一種真正的點到點多處理網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。終端是處理器自己，他通過鏈接一個或多個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)，他不要求使用專門的拓?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個節(jié)點，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)，沒有一個處理器具有特殊屬性，不像PCI/PCI Express系統(tǒng)，有一個處理器作為根節(jié)點。MPC8641D的Serial RapidIO接口和支持Serial RapidIO的交換芯片，使得板子設(shè)計師采用新VPX(VITA46)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)揮帶寬優(yōu)勢。

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18B3.3展望Power構(gòu)架的未來

帶著嵌入式市場的背景，Power構(gòu)架在A&D市場已經(jīng)有了很長的歷史。Power.Org?組織于2004年被授權(quán)負(fù)責(zé)制定構(gòu)架的開放標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，Power構(gòu)架技術(shù)的未來在很大程度上依賴于該組織。Power ISA 2.03已經(jīng)發(fā)布了，向廣大Power構(gòu)架的開發(fā)商和最終用戶提供了相應(yīng)的路徑。

雖然系統(tǒng)設(shè)計師在集成系統(tǒng)的過程中有很多的選擇，但是Power構(gòu)架具有許多關(guān)鍵性的優(yōu)點，這些優(yōu)點有助于簡化板子的設(shè)計，降低功耗，提高復(fù)雜DSP應(yīng)用的帶寬。在過去，Power構(gòu)架技術(shù)是低功率、高性能處理器，廣泛用于國防、航空系統(tǒng)，它未來的發(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，形成一個高度集成的解決方案。它的發(fā)展還將為設(shè)計師們節(jié)省空間、降低重量和功耗，而這些恰恰是國防、航空系統(tǒng)的關(guān)鍵。可以預(yù)見，Power構(gòu)架在未來的國防、航空DSP設(shè)計中仍將是最重要的處理器構(gòu)架。

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5B4. VPX與VME, VXS區(qū)別

很快迎來25周年的紀(jì)念，古老的VMEBus仍然不斷演變以滿足當(dāng)前和下一代系統(tǒng)的需求。VITA41協(xié)議在保留VME32/VME64同時擴(kuò)展了交換網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。VITA46采用了一百多個串行I/O，取代了傳統(tǒng)的并行總線。VITA48增加了一些功能來實現(xiàn)二級維護(hù)，同時定義了液冷散熱。

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由于新的嵌入式國防和航空應(yīng)用的出現(xiàn)，對帶寬和散熱技術(shù)提出了更高的要求。為了滿足這些要求，近日開發(fā)出了新型主板結(jié)構(gòu)協(xié)議。其中三個最重要的新型協(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 Implementation (ERDI)。

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為了幫助系統(tǒng)用戶理解這些新協(xié)議獨特的優(yōu)勢和真實的差異，這里幫您比較一下他們多樣的特性并突出每一個協(xié)議想要解決的問題。系統(tǒng)用戶在選擇一個系統(tǒng)架構(gòu)時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

保存過去的研發(fā)成果以及未來驗證

技術(shù)實用性和成本

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總的來看，我們需要特別關(guān)注背板連接。因為基本規(guī)范VME64X仍然是一個非常重要的技術(shù)并仍將使用很多年，我們也同樣需要檢驗如何建立一個VXS，VITA46，和VITA48系統(tǒng)并將其帶入VME64X。

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19B4.1?廣泛使用的VME

以上所有的三種新協(xié)議都兼容老的VME產(chǎn)品，這得用戶可以利用以前開發(fā)的主板和軟件，節(jié)約成本。

現(xiàn)今，VME總線技術(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

任務(wù)計算機(jī)

電信系統(tǒng)

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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)計算機(jī)可以簡單的收集、記錄多個1553接口的輸入，也可以接收多個前視紅外線(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連接走背板布線保證整潔的面板，這樣可以迅速確定系統(tǒng)中出問題的卡加以替換。，從而降低平均返修時間(MTTR)。

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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。

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在系統(tǒng)內(nèi)部帶寬需求比較低時，協(xié)議VME總線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，例如多視頻顯示系統(tǒng)，或者在多處理器間有高運算負(fù)載和數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中，可以在VME總線主卡的J2連接器上增加二級數(shù)據(jù)總線例如RACEway，StarFabric或者SKYChannel來提供額外的帶寬。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/O協(xié)議。不幸的是，用戶沒有任何協(xié)議格式供參考，使用這些二級總線。

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VITA 41，VITA 46和VITA 48協(xié)議為解決這些設(shè)計難題而制定的。然而，每個協(xié)議集中，解決這些I/O問題都有所不同。

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20B4.2 VITA 41

VITA 41是為了滿足高速數(shù)據(jù)總線需求，為10 GigE，Serial RapidIO，PCI Express，和高級轉(zhuǎn)換連接等下一代高速串行互聯(lián)開發(fā)的協(xié)議。這些串行協(xié)議的共同特點是都可以運行在2 Gbps。在這樣的速度下，標(biāo)準(zhǔn)的VME總線連接器不能工作的。

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與此同時，VITA 41特別注意了與老的VME硬件和老的VME主板的兼容問題。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連接器代替原來的J0連接器。RT2連接器是一個高速差分連接器，提供30個差分對兒，其中16對兒作為高速連接定義。J0其它插針，其中一個針用于支持live insertion，剩下的保留將來使用(RFU)。

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圖1展示了20插槽的背板，背板上擁有兩個交換卡。VITA 41卡采用一個中央交換調(diào)度（芯片）進(jìn)行板間通信。16對差分信號被分為兩個雙向4信道串行端口。一個端口都連接VITA 41背板其中一個交換卡上，另一個解決連接到另一個交換卡上。這樣在其中一個集中交換模塊失效時，還有另一個冗余通信路徑。

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研祥智能科技股份有限公司可以提供VITA-41，用在客戶定制背板上。這可以滿足需要很高帶寬的應(yīng)用，超出老的VME總線P0連接器2 Gbaud的限制。

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圖1

21B4.3 VITA 46

VITA 46協(xié)議使用了類似又不盡相同的方式來解決帶寬問題（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。VITA 46協(xié)議在J2定義了32個差分I/O對兒，而VITA 41值定義了16對兒。

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這種結(jié)構(gòu)提供了一些很有趣的能力。VITA 41設(shè)計為雙冗余中央交換，而VITA 46允許用戶設(shè)計出分布式的網(wǎng)狀交換系統(tǒng)，因此不會出現(xiàn)由于單獨路徑，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4信道端口連接到各個模塊。當(dāng)每個信道運行在3.125 Gbaud時，每個端口的雙向帶寬為2.5 Gbps（由于8B/10B譯碼會有20%的占用）。網(wǎng)狀拓?fù)涞膬?yōu)勢在于能夠開發(fā)出更緊湊、占用更小空間的系統(tǒng)，因為不再需要VITA 41中的兩個中心交換槽了。

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在嘗試提升VME總線模塊的帶寬能力過程中，VITA 41使用高速差分RT2連接器代替了VME總線J0連接器。然而，這導(dǎo)致了用戶I/O針的數(shù)量大大減少，從205減少到110。VITA 46通過替換VME總線J0和J1連接器，全部采用RT2連接器，在圖2中表出。這樣做有很明顯的優(yōu)勢。最重要的優(yōu)勢是使用VITA46，用戶的I/O數(shù)量從VITA 41的110個針增加到272個針。并且，這272個針中有256個是自定義的高速差分對兒，每個的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Gbps。

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為了利用這些附加的用戶I/O針，VITA46.9定義了XMC和PMC用戶針的協(xié)議映射。（XMC和PMC User I/O Mapping for VITA 46）。

圖2

VITA 46還有一個超過VITA 41的優(yōu)勢。VITA 46其中的一個連接器P0，被設(shè)計為功能連接器。功能連接器連接電源，維護(hù)總線，和測試總線。電源支持：48 V @ 16 A?或者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

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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I/O，有多種向后兼容的方案。VITA 41和VITA 46都需要一個新的系統(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總線卡通信。在這點上兩個協(xié)議都是同樣的。而VITA46的方案是使用一個混合背板，允許老的VME總線卡插入到系統(tǒng)中。圖3展示了混合背板，該背板有五個老的VME槽和5個VITA 46槽。在VITA 46混合背板上，VITA46連接器和老的VME總線間通信遵循VITA46.1（VITA 46的VMEbus總線映射）。

圖3

VITA41背板通過放棄VME總線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總線模塊與VITA41模塊鏈接在一起。

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23B4.5 3U VITA 46

VITA46背板擁有更多的插針數(shù)量，這一優(yōu)點特別使用在小型系統(tǒng)中。

老的的3U VME總線系統(tǒng)不提供任何背板用戶I/O。VITA46協(xié)議提供給系統(tǒng)用戶3U解決方案，在VITA46?總線J1上給用戶提供網(wǎng)狀拓?fù)?#xff0c;允許用戶使用J2作為用戶I/O。

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VITA46的J2采用的RT2查分連接器提供客戶72個用戶IO針。

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24B4.6 VITA 48

VITA 48從本質(zhì)上來說，是一個板型協(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I/O。除此之外，VITA48定義了二級維護(hù)協(xié)議，通過利用頂蓋來保護(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。

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為了得到這些優(yōu)勢，VITA 48定義了每個模塊的槽間距為1" (從0.8"增加到)。通過允許VITA 46模塊插入VITA48背板和機(jī)箱，來實現(xiàn)向后兼容。

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25B4.7?總結(jié)

三個新出現(xiàn)的協(xié)議各自有各自的特點，來解決不同的系統(tǒng)需求。表1將這些特性列出。

VME總線適用于系統(tǒng)內(nèi)不帶寬要求不高的系統(tǒng)，他在將來的很多年都會繼續(xù)發(fā)展及應(yīng)用。

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VITA 41適合于需要比較高的系統(tǒng)內(nèi)部帶寬，同時不需要很多的背板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。

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VITA 46適合于比較高的系統(tǒng)內(nèi)部和背板帶寬，同時在背板上需要大量的用戶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可在背板上提供用戶I/O，而VITA41和VME總線沒有。

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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。

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6B5.?采用基于VPX總線的系統(tǒng)迎接航空任務(wù)計算應(yīng)用的挑戰(zhàn)

任務(wù)計算應(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，并且能夠為不同的系統(tǒng)提供可靠平臺。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上使用最最先進(jìn)的技術(shù)。

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在眾多加固的、開放的嵌入式計算模塊構(gòu)建應(yīng)用中，航空任務(wù)計算應(yīng)用無疑是系統(tǒng)集成商們最具挑戰(zhàn)的應(yīng)用，任務(wù)計算機(jī)是軟件高度密集的系統(tǒng)，他必須在惡劣的飛機(jī)工作環(huán)境下處理種類繁多的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/O信號，實現(xiàn)這些目標(biāo)。并且，VPX已經(jīng)成功的通過了復(fù)雜的環(huán)境認(rèn)證過程。

26B5.1?任務(wù)計算的挑戰(zhàn)

無論是一個升級項目或是一個新的飛機(jī)系統(tǒng)，任務(wù)計算機(jī)都需要解決下面最常見的問題：

很多的I/O

通過配合多處理方案，提供強(qiáng)大的計算能力

有限的尺寸和重量限制

在惡劣的航空環(huán)境下工作

在電路板級支持二級維護(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)，敵我識別單元，雷達(dá)，導(dǎo)彈報警傳感器，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，大容量存儲接口，以及一些其他的設(shè)備。事實上，復(fù)雜的任務(wù)計算機(jī)需要連接20-30個不同系統(tǒng)。這些不同的數(shù)據(jù)接口使用不同的電信號級（RS-422, MIL-STD-1553, Fibre Channel, Ethernet, ARINC-429, DVI,?用戶自定義高速接口等）。

RS-422和MIL-STD-1553等老的總線標(biāo)準(zhǔn)仍然在使用，與此同時，用于高分辨率數(shù)字視頻傳輸?shù)?/span>DVI以及用于大容量存儲的Serial ATA等較新的標(biāo)準(zhǔn)，也越來越多的采用，使得信號速率到達(dá)multi-gibabit范圍內(nèi)。需要數(shù)以百計的I/O信號——這些信號中1Gbps或者更大的數(shù)據(jù)吞吐率的I/O越來越多，這極大的沖擊著傳統(tǒng)的任務(wù)計算系統(tǒng)。所有的這些I/O信號需要散布在系統(tǒng)內(nèi)不同板級模塊中。為了避免在系統(tǒng)中增加額外的專用I/O模塊，板級I/O數(shù)量增長承受著巨大的壓力。

27B5.2多處理器方案滿足強(qiáng)大處理需求

現(xiàn)今，現(xiàn)代航空電子任務(wù)計算是一種軟件最復(fù)雜，嵌入式實時應(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)百個處理任務(wù)。表一列出了主要的處理任務(wù)。

任務(wù)計算應(yīng)用的復(fù)雜性還在于涉及很多處理類型，他們包括：

需要在某個固定的時間進(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，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)5百萬行。

28B5.3?系統(tǒng)的需求

進(jìn)行這些處理需要多個處理器協(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。任務(wù)計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，對于多處理解決方案需要更強(qiáng)大的計算能力。

基于多處理解決方案，需要處理器間高效的通信手段，目前，通過在硬件層支持軟件層用到的邏輯中間件總線實現(xiàn)，如圖二所示。高性能，低延遲以及開放標(biāo)準(zhǔn)等特征也是受任務(wù)計算機(jī)開發(fā)工程師青睞的。這些特征可以通過在背板加入Serial RapidIO和Advanced Switching Interconnect（ASI）等互聯(lián)利用現(xiàn)代高速互聯(lián)技術(shù)，滿足工程師們的要求。

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29B5.4?尺寸和重量的限制

無論是超音速戰(zhàn)斗機(jī)還是攻擊直升機(jī)，發(fā)送攻擊，超高的機(jī)動能力，任務(wù)計算機(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)尺寸和重量的總線結(jié)構(gòu)。對于升級現(xiàn)有飛機(jī)的電子設(shè)備，任務(wù)計算機(jī)必須采用傳統(tǒng)的空間尺寸來實現(xiàn)新功能，這個尺寸一般是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)集成師們設(shè)計的任務(wù)計算機(jī)必須在軍用戰(zhàn)術(shù)航空器中遇到的極端溫度，沖擊和振動的環(huán)境下仍能可靠的工作。振動一般在飛機(jī)是非常普遍的，他包括結(jié)構(gòu)振動，引擎振動，槍炮振動，直升機(jī)主要是螺旋槳旋轉(zhuǎn)振動，產(chǎn)生的總共隨機(jī)振動負(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。

貫穿整個可更換模塊的二級維護(hù)

一般認(rèn)為，在整個生命周期內(nèi)維護(hù)一個復(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)成本的很大一部分是維修成本——這不僅僅包括實際的維修，還包括返修運輸與備用件儲備的后勤保障成本。

在軍事服務(wù)中，通過直接在平臺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)級黑盒子，然后把它運回庫房以備后續(xù)更換可插拔電路板的一步驟。圍繞Line-Replaceable Modules (LRMs)這個概念設(shè)計出的系統(tǒng)，在LRM級儲備備用件，取代了傳統(tǒng)的在機(jī)箱級儲備備用件。儲備備用件的成本、數(shù)量和重量將會減少。

31B5.6?新VPX標(biāo)準(zhǔn)將會給我們帶來什么？

VPX標(biāo)準(zhǔn)為滿足客戶軍用、航空嵌入式計算系統(tǒng)的需要，支持系統(tǒng)級設(shè)計，他解決了任務(wù)計算機(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公司開發(fā)的7排RT-2 MultiGiga連接器設(shè)計的高級連接器系統(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)提供了一個頂蓋兒和一個底蓋兒，他與VPX與一起使得模塊應(yīng)用二級維護(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）計算，同時能夠進(jìn)行系統(tǒng)及設(shè)計，并能解決成本問題。

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7B6. FPGA應(yīng)用于流處理

許多軍事和航空應(yīng)用都要求對實時數(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，信號調(diào)整，校驗和采集。雖然一些流處理應(yīng)用采用專用ASIC芯片，但是他非常不靈活，并且需要很長的設(shè)計周期和昂貴的成本，所以不是一個理想的解決方案。此外，為了滿足處理需要，流處理應(yīng)用一般需要解決系統(tǒng)問題，例如尺寸大小，重量，功率，開發(fā)周期，現(xiàn)場升級和重配置。

多計算系統(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，國防和航空客戶只能使用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，很多的邏輯門數(shù)量，DSP單元和內(nèi)置高速穿行口等優(yōu)點，使得客戶擁有更多的選擇。

32B6.1流處理系統(tǒng)的特點

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)流動的主要方向還是單向流動。前期處理階段更接近DSP處理，而后期處理更接近于符號處理。處理類型的不同，每個處理階段使用的硬件有所區(qū)別，請參考表1

基于多計算系統(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），FPGA處理板，用于浮點DSP運算和其他通用計算的四-PowerPC板，以及用于控制和設(shè)備I/O的單板計算機(jī)。請參考圖一。FPGA計算引擎通過專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

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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提供了很大的用戶可用面積，專門的浮點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)點電容，并且采用1V核心電壓，這些都有助于減少動態(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個輸入。DSP48E DSP塊，擁有25個18-bit乘法器，增強(qiáng)了FPGA浮點運算能力。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FPGA的LXT版本擁有24條高速、低功耗的串行通道，速度從100Mbits~2.3Gbit/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使用的專用硬件模塊。

用于流處理應(yīng)用的商用平臺可以利用Virtex-5 LXT系列的高級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FPGA，在這些I/O路徑間建立4個信道。每個FPGA使用18對兒（36針）離散LVDS信號鏈接鏈接背板，用于并行傳輸或自定義I/O。

板載多個SRAM和SDRAM bank，確保FPGA?應(yīng)用能夠擁有足夠的內(nèi)存帶寬用于存儲和訪問濾波器模塊，暫存運算數(shù)據(jù)等。當(dāng)每個內(nèi)存映射成多口模式時，開發(fā)人員擁有很大的靈活進(jìn)行并行或管道FPGA設(shè)計。

34B6.3將FPGA集成到系統(tǒng)中

這樣的FPGA節(jié)點用于前期流處理運算。當(dāng)該節(jié)點物理上鏈接到包含DMA引擎的通信網(wǎng)絡(luò)時，FPGA節(jié)點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)、動態(tài)調(diào)整濾波系數(shù)等計算參數(shù)的功能。

其中許多任務(wù)經(jīng)過背面控制總線，需要避免打斷SRIO總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流。這些功能一般通過操作系統(tǒng)或板級支持包(BSP)函數(shù)調(diào)用初始化。或者通過通信中間層進(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)，還可以類似四-DSP或單板機(jī)里的處理器節(jié)點，參與中后期處理。這些處理階段通常包含浮點向量計算，使用8641D中AltiVec單元進(jìn)行處理。在這個體系中的板載PowerPC處理器都會得益于豐富的系統(tǒng)和中間軟件，用戶可以從復(fù)雜的集成工作解脫出來，通過抽象出硬件細(xì)節(jié)，開發(fā)出更簡化的應(yīng)用程序代碼。

開發(fā)的加固的、商業(yè)板子滿足了流處理應(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，一般是采用不間斷循環(huán)傳輸或者下一個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)，FPGA工具集提供驅(qū)動和軟件庫，管理這些復(fù)雜數(shù)據(jù)傳輸策略，以及節(jié)點配置，溫度和電流傳感器管理，總線訪問控制等板載功能接口，這個工具集還提供IP塊庫，仿真環(huán)境，BSP，算法庫和中間件等。

CHAMP-FX2的FXtools工具集中的IP庫提供DMA引擎。這些引擎有的支持輪轉(zhuǎn)傳輸。有的支持下一個可得處理器（next-available-processor）傳輸下一個可得處理器一般傳輸采用PowerPC驅(qū)動的連續(xù)鏈DMA模型，或者采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的SRIO終端塊兒模型。因為，這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕⒑涂刂贫挤浅?fù)雜，所以需要使用通用處理器進(jìn)行控制。

該板子也支持通信中間件，進(jìn)程間通信（IPC）庫，該庫針對FPGA版本的處理引擎進(jìn)行了擴(kuò)展，使用戶通過調(diào)用IPC提供的，相對高層次的API函數(shù)，管理FPGA?引擎的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)傳輸。IPC利用命名緩沖區(qū)（named buffer），同步和數(shù)據(jù)傳輸對象，通過掩蓋底層硬件細(xì)節(jié)的方式，將IPC移植到下一代高速串行技術(shù)，從而簡化系統(tǒng)集成的工作量。

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8B7.?將FPGA和交換網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到系統(tǒng)中

隨著軍事和航空市場的發(fā)展，需要在有限的板子空間和電源電源內(nèi)，設(shè)計出更強(qiáng)大的計算機(jī)，滿足日益增長的計算需求，這將是一個很大的挑戰(zhàn)。為了滿足更高的需求，將帶有交換網(wǎng)絡(luò)的FPGA集成到系統(tǒng)中是一個可行的解決方案。

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在嵌入式國防和航空領(lǐng)域中，對于相對狹小的嵌入式商業(yè)市場，客戶對計算性能需求的增長超過了摩爾定律預(yù)言的處理器性能的增長，雷達(dá)和智能信號處理等應(yīng)用對計算性能要求尤其高。

作為中國領(lǐng)先的特種計算機(jī)供應(yīng)商，研祥智能科技股份公司一直在致力于滿足客戶日益增長的計算需求。除了考慮系統(tǒng)性能的提升，他們還需要考慮成本問題，成本問題往往決定了實際系統(tǒng)裝備數(shù)量。以前，在平衡系統(tǒng)性能和有限的資金問題時，客戶總是被迫要么自己設(shè)計芯片，要么犧牲系統(tǒng)性能和功能。

FPGA曾經(jīng)由于成本太高和過于復(fù)雜不給于考慮，但是今天，它將提供給客戶更多的種選擇，來滿足性能/功能與應(yīng)用環(huán)境/成本的需求。

隨著計算能力需求的增加，客戶對使用FPGA開發(fā)性能更強(qiáng)大的應(yīng)用越來越感興趣。與ASIC相比FPGA具有相對靈活和可重配置的優(yōu)點。以前，單個FPGA元器件要比集成電路芯片（ASIC）昂貴，而且，FPGA也不容易集成到一個大的系統(tǒng)中。

直到現(xiàn)在，還有前端I/O處理等問題仍然局限著FPGA的使用。近些年COST供應(yīng)商進(jìn)行了一些探索改進(jìn)FPGA產(chǎn)品，包括：增加FPGA門數(shù)，用于開發(fā)和集成用的軟件，這些改進(jìn)使得FPGA?越來越流行。圖一展示Viretex-5 LXT最新FPGA，該FPGA為不同平臺提供了解決方案。

圖一

作為使用FPGA的用戶，在選擇FPGA用于應(yīng)用加速之前，需要考慮很多重要的問題。包括：

算法是否容易在FPGA中實現(xiàn)？

從通用處理器轉(zhuǎn)移到FPGA會給系統(tǒng)帶來哪些好處？

從FPGA輸入和輸出的是什么數(shù)據(jù)流？

我該如何將FPGA集成到我的大系統(tǒng)中并保證其正常工作？

客戶的這些問題的答案決定如何將基于FPGA COST解決方案開發(fā)的子系統(tǒng)集成進(jìn)目標(biāo)系統(tǒng)，快速有效的實現(xiàn)應(yīng)用算法。對于系統(tǒng)集成，如果采用FPGA方案，第一步需要決定這些子系統(tǒng)的構(gòu)成是否合適，是否能提高系統(tǒng)性能。

有兩個規(guī)則指導(dǎo)客戶作出決定：算法是否大量采用并行處理？算法是否采用定點運算？例如系統(tǒng)包含1維和2維卷積運算，有很多的濾波器（FIR, IIR, comb等），矩陣分解，數(shù)字降頻轉(zhuǎn)換，以及一些波速形成等，這樣的應(yīng)用可以使用FPGA實現(xiàn)。系統(tǒng)性能可提高10倍到20倍（實際采用算法不同，提高得倍數(shù)也不同）。

當(dāng)系統(tǒng)希望采用COST FPGA板時，首先要考慮硬件，和板子的I/O系統(tǒng)。對于系統(tǒng)集成商I/O系統(tǒng)是非常重要的，他將決定數(shù)據(jù)放到FPGA進(jìn)行處理，然后輸出顯示或者作進(jìn)一步處理。

采用高速串行口將FPGA?連接到串行交換網(wǎng)絡(luò)，是今天的FPGA的重大改進(jìn)，例如RapidIO。這個發(fā)展趨勢將提供簡單的，高速的，雙向數(shù)據(jù)通道，使得數(shù)據(jù)可以高速傳輸。例如，Xilinx公司的Virtex-II Pro, Virtex-4和Virtex-5都支持高速串行口。

舉一個例子說明COST FPGA板如何實現(xiàn)串行口鏈接。下圖是Curtiss-Wright公司近來發(fā)布的6U?基于VPX總線的CHAMP-FXII（參考圖二），板子上有兩塊Virtex-5 FPGA，每一個FPGA?擁有一個4信道的串行口，連接到板載的串行RapidIO交換芯片上。串行RapidIO交換芯片擁有4個4信道Serial RapidIO口，通往背板組成交換網(wǎng)絡(luò)。每一個口可以提供雙向2.5GB/s帶寬。這些高速串行數(shù)據(jù)通道可以鏈接像CHAMP-AV6四PowerPC DSP引擎，或VPX-185單板機(jī)等其他RapidIO?互聯(lián)的VPX硬件模塊。FPGA物理上集成了Serial RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)流可以進(jìn)和出FPGA，使系統(tǒng)保持高效的處理。

圖二

現(xiàn)代高性能FPGA?除了提供邏輯單元外，還提供很多其他特性，如分布式的RAM，

block RAM，數(shù)字時鐘管理，DSP模塊和硬處理核。一些適合在FPGA中實現(xiàn)的算法可能需要很多臨時內(nèi)存用于存儲，但是需要的內(nèi)存數(shù)量超過FPGA所能提供的內(nèi)存，這種情況是非常普遍的。這種情況下需要使用額外內(nèi)存（這里指SDRAM）。因此，客戶需要尋找COST解決方案，使用內(nèi)存選項（memory option），平衡輸入輸出數(shù)據(jù)流帶寬，進(jìn)行高效的存儲和取回。

有些算法需要小的，快速的隨機(jī)內(nèi)存存取。SRAM適合這種算法。但是，還有一些算法進(jìn)行大塊數(shù)據(jù)傳輸，SDRAM比較合適。為了確保適應(yīng)上述兩種算法，客戶應(yīng)選擇擁有很多SRAM和SDRAM的bank的COST FPGA板，為附加內(nèi)存設(shè)計和利用提供足夠的靈活。

CHAMP-FXII上的每一個FPGA擁有兩個SDRMA bank，總共512MB，以及4個SRAM bank，總共32MB。CHAMP-FXII采用的SDRAM雙向帶寬可以達(dá)到2.2GB/s，SRAM雙向帶寬可以達(dá)到4.4GB/s，所以不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)流瓶頸。這些內(nèi)存是雙口的，給客戶應(yīng)用提供更多的靈活性。

選擇COST FPGA板另外的關(guān)鍵因素是：

用于中斷，客戶總線接口，設(shè)備控制等的離散I/O

測量板子和處理器溫度傳感器

測量FPGA應(yīng)用電流流向的電流傳感器

用于FPGA位流存儲的SPROM或flash

簡化集成工作的FPGA工具

COST FPGA能夠提供的開發(fā)工具集是僅次于板子硬件的一個重要因素。專用硬件開發(fā)工具集是COST解決方案的一個極其重要的因素，因為他將簡化，加速應(yīng)用算法整合到板子硬件過程，加快FPGA板整合進(jìn)多計算系統(tǒng)的過程。這對算法加速問題尤為重要，因為一般是首先考慮通用處理或者基于DSP處理，然后考慮基于FPGA的處理。

COST板供應(yīng)商一般提供軟件驅(qū)動和庫，IP塊兒及其仿真testbench等開發(fā)工具集。有很多第三方IP塊兒（例如，www.xilinx.com/ipcenter），但是這些塊兒沒有經(jīng)過特殊的優(yōu)化，不能滿足客戶的需要。進(jìn)一步復(fù)雜的IP塊兒集成目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的接口。因此，集成現(xiàn)有商業(yè)塊兒改進(jìn)應(yīng)用性能仍然是很困難的。

為了解決上述問題，一些COST供應(yīng)商的開發(fā)工具集提供優(yōu)化IP塊。例如，Curtiss-Wright的統(tǒng)一Fxtools工具集提供優(yōu)化的通用內(nèi)連塊接口。這樣客戶可以專注于實現(xiàn)自己的算法，不需要花費時間優(yōu)化第三方IP塊兒。

很多COST FPGA應(yīng)用于惡劣環(huán)境中。因此，驗證IP塊兒也應(yīng)該達(dá)到主卡設(shè)計的溫度范圍。這將確保裝備時，這些優(yōu)化過的，驗證過的IP塊能夠工作在寬廣的溫度范圍內(nèi)，并且成功的滿足性能和時序要求（在很多軍事系統(tǒng)中溫度范圍是-40° C?到85°）。

35B7.1處理器間通信

系統(tǒng)設(shè)計師使用廠商提供的塊兒集成應(yīng)用，并完成仿真后，集成的下一步是建立處理器間通信，應(yīng)用命令與控制。與PowerPC等通用處理器相比，FPGA缺少指揮數(shù)據(jù)移動，設(shè)置處理模型的資源，以及其他重要的命令和控制功能。

系統(tǒng)工程師們使用外部處理資源解決這些限制。這些外部資源應(yīng)該擁有豐富的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)具有高層次的命令功能。系統(tǒng)工程師使用這些乏味的、容易出錯的庫函數(shù)，設(shè)置寄存器和創(chuàng)建控制結(jié)構(gòu)體（如高級DMA引擎）。庫函數(shù)應(yīng)該提供給系統(tǒng)工程師們簡單，易于上手的函數(shù)，處理復(fù)雜的DMA命令控制，同步和其他系統(tǒng)任務(wù)。

使用專門為FPGA設(shè)計的高級處理器間通信中間件解決方案是減少集成時間的另一個好方法。中間件通過管理內(nèi)存映射，DMA引擎建立，終端服務(wù)程序和處理器間同步等任務(wù)簡化集成時間，提供簡單的、應(yīng)用程序級API。

Curtiss-Wright公司的統(tǒng)一IPC軟件是一款用于COST FPGA板子的處理器間通信解決方案。統(tǒng)一IPC中間件將緩沖區(qū)，信號量和DMA命令抽象成命名對象，就像PowerPC方式一樣，因此，可以簡化數(shù)據(jù)傳輸編碼。在系統(tǒng)級調(diào)試階段，處理和緩沖區(qū)可能在系統(tǒng)中移來移去，這種情況下使用IPC無需重新編寫代碼，因為中間件能夠自動解決新位置的問題，這是IPC另外一個好處。當(dāng)使用FPGA用作算法加速時，?FPGA更像是系統(tǒng)中的一個處理單元。

處理器與FPGA的搭配，除了原來提到的簡化數(shù)據(jù)傳輸，還有另外一個好處。例如，Virtex-5尤其適合搭配Freescale的雙核8641處理器，因為二者使用相同的RapidIO網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，除此，8641還有兩個單獨的連接通道，連接到Virtex-5。第一個是可選擇的映射接口，該接口能夠?qū)⒉煌涣髟创鎯Φ奖镜氐?/span>flash，SDRAM內(nèi)存或者遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)中。通過運行在PowerPC上應(yīng)用發(fā)出指令，迅速將位流加載到FPGA中。這對系統(tǒng)適應(yīng)多模式要求非常重要的。8641提供的第二個連接是本地命令總線。8641使用專門的命令與控制，寄存器設(shè)置等訪問該總線，不會破壞進(jìn)/出FPGA的數(shù)據(jù)流。

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36B7.2權(quán)衡所有因素

準(zhǔn)備在一個大而復(fù)雜的系統(tǒng)中，使用FPGA作為算法加速時，有很多因素需要權(quán)衡。當(dāng)考慮COST解決方案時，系統(tǒng)集成師應(yīng)該了解COST供應(yīng)商解決了哪些問題，能夠給集成商帶來那些特色和靈活。

總結(jié)

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