系統(tǒng)架構(gòu)確定，下一步就是FPGA與各組成器件之間互聯(lián)的問(wèn)題了。通常來(lái)說(shuō)，CPU和FPGA的互聯(lián)接口，主要取決兩個(gè)要素：

（1）CPU所支持的接口。

（2）交互的業(yè)務(wù)。

通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA一般支持與CPU連接的數(shù)字接口，其常用的有EMIF，PCI，PCI-E，UPP，網(wǎng)口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作為總線類接口，F(xiàn)PGA通常作為從設(shè)備與CPU連接，CPU作為主設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)直接映射的地址對(duì)FPGA進(jìn)行訪問(wèn)。根據(jù)是否有時(shí)鐘同步，通?？偩€訪問(wèn)分為同步或異步的總線，根據(jù)CPU外部總線協(xié)議有所不同，但數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)基本是總線訪問(wèn)類型中總線信號(hào)所不能省略的。CPU手冊(cè)中會(huì)對(duì)信號(hào)定義和時(shí)序控制有著詳細(xì)的說(shuō)明，F(xiàn)PGA需要根據(jù)這些詳細(xì)說(shuō)明來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯。同時(shí)CPU還可以對(duì)訪問(wèn)時(shí)序進(jìn)行設(shè)置，比如最快時(shí)鐘，甚至所需的最小建立時(shí)間和保持時(shí)間，這些一般CPU都可以進(jìn)行設(shè)置，而這些具體參數(shù)，不僅影響FPGA的實(shí)現(xiàn)，也決定總線訪問(wèn)的速度和效率。對(duì)于同步總線，只需要根據(jù)輸入時(shí)鐘進(jìn)行采樣處理即可，但對(duì)于異步總線，則需要的對(duì)進(jìn)入的控制信號(hào)進(jìn)行同步化處理，通常處理方式是寄存兩拍，去掉毛刺。因此用于采樣的時(shí)鐘就與CPU所設(shè)置的總線參數(shù)相關(guān)，如采樣時(shí)鐘較低，等控制信號(hào)穩(wěn)定后在譯碼后輸出，一個(gè)總線操作周期的時(shí)間就會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，其處理的效率也相對(duì)較低；假如采樣時(shí)鐘過(guò)快，則對(duì)關(guān)鍵路徑又是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此合理設(shè)定采樣頻率，便于接口的移植并接口的效率是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和平衡點(diǎn)。

對(duì)于總線型的訪問(wèn)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)通常為三態(tài)信號(hào)，用于輸入和輸出。這種設(shè)計(jì)的目的是為了減少外部連線的數(shù)量。因?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)相對(duì)較多一般為8/16/32位數(shù)據(jù)總線?？偩€的訪問(wèn)的優(yōu)勢(shì)是直接映射到系統(tǒng)的地址區(qū)間，訪問(wèn)較為直觀。但相對(duì)傳輸速率不高，通常在幾十到100Mbps以下。這種原因的造成主要為以下因素（1）受制總線訪問(wèn)的間隔，總線操作周期等因素，總線訪問(wèn)間隔即兩次訪問(wèn)之間總線空閑的時(shí)間，而總線操作周期為從發(fā)起到相應(yīng)的時(shí)間。（2）不支持雙向傳輸，并且FPGA需主動(dòng)發(fā)起對(duì)CPU操作時(shí)，一般只有發(fā)起CPU的中斷處理一種方式。這種總線型操作特點(diǎn)，使其可以用作系統(tǒng)的管理操作，例如FPGA內(nèi)部寄存器配置，運(yùn)行過(guò)程中所需參數(shù)配置，以及數(shù)據(jù)流量較小的信息交互等操作。這些操作數(shù)據(jù)量和所需帶寬適中，可以應(yīng)對(duì)普通的嵌入式系統(tǒng)的處理需求。

對(duì)于大數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)交互，一般采用專用的總線交互，其特點(diǎn)是，支持雙向傳輸，總線傳輸速率較快，例如GMII/RGMII、Upp、專用LVDS接口，及 SERDES接口。專用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII，專用LVDS接口一般處理在1GbpS一下的業(yè)務(wù)形式，而PCI-E，根據(jù)其型號(hào)不同，支持幾Gbps的傳輸速率。而XAUI可支持到10Gbps的傳輸速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的業(yè)務(wù)傳輸。

對(duì)于不同所需的業(yè)務(wù)形式及處理器的類型，則可選擇相應(yīng)的接口形式，來(lái)傳輸具體的業(yè)務(wù)。現(xiàn)今主流FPGA中都提供的各種接口的IP。選擇FPGA與各型CPU互聯(lián)接口，一般選擇主流的應(yīng)用交互方案，特殊的接口缺少支撐IP，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)、調(diào)試、維護(hù)和兼容性的成本都較大，同時(shí)注意系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)的需要，如只在本項(xiàng)目使用一次，而下一項(xiàng)目或開(kāi)發(fā)階段已摒棄此類接口，則需提前規(guī)劃技術(shù)路線。畢竟一個(gè)穩(wěn)定、高效的接口互聯(lián)是一個(gè)項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)。

不是所有的嵌入式系統(tǒng)都需要“高大上”的接口形式，各類低速的穩(wěn)定接口也同樣在FPGA的接口互聯(lián)中有著重要的角色，其中UART、SPI、I2C等連接形式也非常的常見(jiàn)。畢竟，一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)不是“高大上”的堆積，而是對(duì)需求最小成本的滿足。適合的才是最美的。

FPGA與各組成器件之間互聯(lián) - FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)組成和器件互聯(lián)問(wèn)題---FPGA通常作為從設(shè)備與CPU連接

Serial RapidIO (SRIO)與PCIE

1.1 與PCIe的差異

典型的PCIe結(jié)構(gòu)定義了一個(gè)以單個(gè)中央處理器為核心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，比如我們常見(jiàn)的工控機(jī)、PXIe機(jī)箱控制器、服務(wù)器內(nèi)的IO設(shè)備。從系統(tǒng)架構(gòu)來(lái)看，這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可有統(tǒng)一的軟件驅(qū)動(dòng)，軟件模型，設(shè)備間具備優(yōu)異的兼容性。兼容性才是王道，廠商就可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包打天下。

圖 1?1 PCIe 互聯(lián)架構(gòu)

PCIe 的幀格式如下圖所示。幀由 1 字節(jié)的幀起始、2 字節(jié)的序列號(hào)、16 或 20 字節(jié)的報(bào)頭、0 到 4096 字節(jié)的數(shù)據(jù)字段、0 到 4 字節(jié)的 ECRC 字段、4 字節(jié)的 LCRC、和 1 字節(jié)的幀結(jié)束。數(shù)據(jù)字段中傳輸?shù)奈粩?shù)越少，開(kāi)銷就越大。零字節(jié)數(shù)據(jù)字段會(huì)導(dǎo)致 100% 的開(kāi)銷，因?yàn)闆](méi)有傳輸數(shù)據(jù)。

圖 1?2 幀格

RapidIO定義了一種高性能、分組交換互連技術(shù)，用于在微處理器、DSP、通信和網(wǎng)絡(luò)處理器、系統(tǒng)內(nèi)存和外圍設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)和控制信息。RapidIO 適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的設(shè)備間通訊，不需要經(jīng)過(guò)一個(gè)中央處理器進(jìn)行調(diào)度，就可以完成設(shè)備間的通訊，并且包長(zhǎng)度簡(jiǎn)單，效率相對(duì)于PCIe要更高，有效數(shù)據(jù)傳輸速度更快。但是RapidIO沒(méi)有定義標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型，這就導(dǎo)致廠家之間的設(shè)備大概率無(wú)法兼容，從而只能在某些領(lǐng)域進(jìn)行部署，不易推廣。

圖 1?3 RapidIO 互聯(lián)架構(gòu)

RapidIO 由于比PCIe更簡(jiǎn)單、更高效、延遲更低等特點(diǎn)，已經(jīng)在嵌入式領(lǐng)域、圖像處理、通訊系統(tǒng)、軍工航天有了大量的應(yīng)用。

我們來(lái)看一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，在醫(yī)學(xué)影像等圖像處理領(lǐng)域，經(jīng)常需要擴(kuò)展單塊DSP、FPGA的計(jì)算能力，這時(shí)候需要將多個(gè)DSP或者FPGA通過(guò)高速串口進(jìn)行互聯(lián)，此時(shí)RapidIO就是當(dāng)前互換性最好的一個(gè)最佳選擇，因?yàn)镻CIe太過(guò)復(fù)雜，Xilinx的Auraro效率也不滿足要求，并且互換性不好。

我們來(lái)看一下在RapidIO之前，實(shí)現(xiàn)多個(gè)DSP系統(tǒng)互聯(lián)的方法：

圖 1?4 多個(gè)DSP設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

圖 1?5 多個(gè)DSP設(shè)備可以通過(guò)RapidIO 實(shí)現(xiàn)任意互聯(lián)通訊

2 可用的驗(yàn)證硬件

目前具備SRIO接口的硬件不多，我們推薦2類可用的開(kāi)發(fā)板：

1、創(chuàng)龍科技開(kāi)發(fā)的TI DSP開(kāi)發(fā)板 也可用于評(píng)估EMIF等接口

2、Xilinx 的KC705等具備高速GTX/GTP接口的開(kāi)發(fā)板，Xilinx提供了兼容SRIO 2.2的IP可供評(píng)估；

審核編輯：湯梓紅