FPGA与各组成器件之间互联的问题

系统架构确定，下一步就是FPGA与各组成器件之间互联的问题了。通常来说，CPU和FPGA的互联接口，主要取决两个要素：

（1）CPU所支持的接口。

（2）交互的业务。

通常来说，FPGA一般支持与CPU连接的数字接口，其常用的有EMIF，PCI，PCI-E，UPP，网口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作为总线类接口，FPGA通常作为从设备与CPU连接，CPU作为主设备通过访问直接映射的地址对FPGA进行访问。根据是否有时钟同步，通常总线访问分为同步或异步的总线，根据CPU外部总线协议有所不同，但数据、地址、控制信号基本是总线访问类型中总线信号所不能省略的。CPU手册中会对信号定义和时序控制有着详细的说明，FPGA需要根据这些详细说明来实现相应的逻辑。同时CPU还可以对访问时序进行设置，比如最快时钟，甚至所需的最小建立时间和保持时间，这些一般CPU都可以进行设置，而这些具体参数，不仅影响FPGA的实现，也决定总线访问的速度和效率。对于同步总线，只需要根据输入时钟进行采样处理即可，但对于异步总线，则需要的对进入的控制信号进行同步化处理，通常处理方式是寄存两拍，去掉毛刺。因此用于采样的时钟就与CPU所设置的总线参数相关，如采样时钟较低，等控制信号稳定后在译码后输出，一个总线操作周期的时间就会相对较长，其处理的效率也相对较低；假如采样时钟过快，则对关键路径又是一个挑战，因此合理设定采样频率，便于接口的移植并接口的效率是设计的关键点和平衡点。

对于总线型的访问来说，数据信号通常为三态信号，用于输入和输出。这种设计的目的是为了减少外部连线的数量。因为数据信号相对较多一般为8/16/32位数据总线。总线的访问的优势是直接映射到系统的地址区间，访问较为直观。但相对传输速率不高，通常在几十到100Mbps以下。这种原因的造成主要为以下因素（1）受制总线访问的间隔，总线操作周期等因素，总线访问间隔即两次访问之间总线空闲的时间，而总线操作周期为从发起到相应的时间。（2）不支持双向传输，并且FPGA需主动发起对CPU操作时，一般只有发起CPU的中断处理一种方式。这种总线型操作特点，使其可以用作系统的管理操作，例如FPGA内部寄存器配置，运行过程中所需参数配置，以及数据流量较小的信息交互等操作。这些操作数据量和所需带宽适中，可以应对普通的嵌入式系统的处理需求。

对于大数据流量的数据交互，一般采用专用的总线交互，其特点是，支持双向传输，总线传输速率较快，例如GMII/RGMII、Upp、专用LVDS接口，及 SERDES接口。专用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII，专用LVDS接口一般处理在1GbpS一下的业务形式，而PCI-E，根据其型号不同，支持几Gbps的传输速率。而XAUI可支持到10Gbps的传输速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的业务传输。

对于不同所需的业务形式及处理器的类型，则可选择相应的接口形式，来传输具体的业务。现今主流FPGA中都提供的各种接口的IP。选择FPGA与各型CPU互联接口，一般选择主流的应用交互方案，特殊的接口缺少支撑IP，导致开发、调试、维护和兼容性的成本都较大，同时注意系统的持续演进的需要，如只在本项目使用一次，而下一项目或开发阶段已摒弃此类接口，则需提前规划技术路线。毕竟一个稳定、高效的接口互联是一个项目成功的基础。

不是所有的嵌入式系统都需要“高大上”的接口形式，各类低速的稳定接口也同样在FPGA的接口互联中有着重要的角色，其中UART、SPI、I2C等连接形式也非常的常见。毕竟，一个优秀的设计不是“高大上”的堆积，而是对需求最小成本的满足。适合的才是最美的。

FPGA与各组成器件之间互联 - FPGA的系统架构组成和器件互联问题---FPGA通常作为从设备与CPU连接

Serial RapidIO (SRIO)与PCIE

1.1 与PCIe的差异

典型的PCIe结构定义了一个以单个中央处理器为核心的计算机系统，比如我们常见的工控机、PXIe机箱控制器、服务器内的IO设备。从系统架构来看，这个结构的优势在于可有统一的软件驱动，软件模型，设备间具备优异的兼容性。兼容性才是王道，厂商就可以用一个标准包打天下。

图 1‑1 PCIe 互联架构

PCIe 的帧格式如下图所示。帧由 1 字节的帧起始、2 字节的序列号、16 或 20 字节的报头、0 到 4096 字节的数据字段、0 到 4 字节的 ECRC 字段、4 字节的 LCRC、和 1 字节的帧结束。数据字段中传输的位数越少，开销就越大。零字节数据字段会导致 100% 的开销，因为没有传输数据。

图 1‑2 帧格

RapidIO定义了一种高性能、分组交换互连技术，用于在微处理器、DSP、通信和网络处理器、系统内存和外围设备之间传递数据和控制信息。RapidIO 适用于点对点的设备间通讯，不需要经过一个中央处理器进行调度，就可以完成设备间的通讯，并且包长度简单，效率相对于PCIe要更高，有效数据传输速度更快。但是RapidIO没有定义标准的软件模型，这就导致厂家之间的设备大概率无法兼容，从而只能在某些领域进行部署，不易推广。

图 1‑3 RapidIO 互联架构

RapidIO 由于比PCIe更简单、更高效、延迟更低等特点，已经在嵌入式领域、图像处理、通讯系统、军工航天有了大量的应用。

我们来看一个应用场景，在医学影像等图像处理领域，经常需要扩展单块DSP、FPGA的计算能力，这时候需要将多个DSP或者FPGA通过高速串口进行互联，此时RapidIO就是当前互换性最好的一个最佳选择，因为PCIe太过复杂，Xilinx的Auraro效率也不满足要求，并且互换性不好。

我们来看一下在RapidIO之前，实现多个DSP系统互联的方法：

图 1‑4 多个DSP设备通过网络互联

图 1‑5 多个DSP设备可以通过RapidIO 实现任意互联通讯

2 可用的验证硬件

目前具备SRIO接口的硬件不多，我们推荐2类可用的开发板：

1、创龙科技开发的TI DSP开发板 也可用于评估EMIF等接口

2、Xilinx 的KC705等具备高速GTX/GTP接口的开发板，Xilinx提供了兼容SRIO 2.2的IP可供评估；

审核编辑：汤梓红