MicroTCA成为嵌入信号处理应用过程及系统案例分析

MicroTCA正在成为嵌入信号处理应用，尤其是高性能的多处理器系统中日益普及的标准。这些标准采用了可满足“运营商级”电信设备需求的先进中间卡（AdvancedMC），从而找到了进入电信应用的途径，如无线基带处理。

无线基带处理是一种高需求的应用，它需要高能效的解决方案。任何系统还必须柔性地适应多种标准的要求，并适应快速发展的各个电信标准。本文讨论了设计过程中的各种因素，包括处理器、互连和软件平台的选择。

对于这种灵活、高性能的应用，处理器的主要选择是DSP和FPGA。过去，DSP 是标准的解决方案，但FPGA供应商已经提高了自己的信号处理能力：今天的很多应用得益于一种结合DSP和FPGA的混合式多处理器系统。一个高速互连能够使一个子系统包含多个DSP（如3或4个）和一个FPGA，使设计者提供正确的性能组合，去满足自己的系统要求。

当硅片供应商继续增加自己的DSP和FPGA性能，并增加多个核心来提升马力时，嵌入系统设计者必须确保自己的数据交换架构能跟上这个步伐。分布式应用需要多种层次上的互连：一块电路板上的芯片之间、一个背板上的电路板之间以及多个机架之间的互连。

一个具有2x2多输入多输出（MIMO）的20MHz WiMAX基带系统要求大约1.5Gbps的天线数据速率。支持三扇区的典型基站要求超过4.5Gbps的联合接口速率，它可以通过三个独立的射频头连接或一个链式单连接而得到支持。基于开放标准的接口（如CPRI或OBSAI）可以用于数据的成帧。当支持信道采用扩频技术编码（如CDMA）的MIMO系统时，所有基带处理块都有来自所有天线的数据。

除了原始性能以外，设计者还必须考虑自己所选结构的成本，包括初始投资费用和运营成本。他们还应寻求标准接口，使自己的设计能够实现跨不同平台的重用，包括现在与未来，并且能够从支持标准的一系列供应商中作出选择。

无线基带信号处理的互连

对于高性能信号处理应用，现在一般考虑四种结构：InfiniBand、PCI Express（PCIe）、以太网和Serial RapidIO（SRIO）。

InfiniBand开始有英特尔公司的强大支持，但该公司后来停止了自己的开发支持，转向支持PCI Express。InfiniBand设计为一种交换式结构互连，可以用于局域网和企业网，但近来更多地定位在存储应用。虽然从技术方面它提供很好的特性，尤其是在管理方面，但它并未设法在嵌入应用中立足，而且没有供它使用的AdvancedMC规范。

PCIe是PCI的串行版，提供每通路（lane）最大2.5Gbps的数据速率，一般MicroTCA中每个AdvancedMC限制为四通路。PCIe特别适合作为一种快速低成本的外设、I/O与主处理器的连接方式。它还有良好的支持和不错的采用数量，有些DSP和FPGA供应商把它作为一种原生接口。不过，在超过一定数量设备情况下，PCIe并不具有良好的缩放性，并且不适合多主处理器环境，如机架互连。

因此，PCIe一般用于与一个独立数据结构相关的点对点连接，反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情况下，实际上是在以太网（千兆和10GigE）与SRIO之间作数据结构的选择。

在很多应用类型中，以太网都是一种常见的选择。WiMax和LTE是以太网上的 IP技术。以太网用于基站回程网的传输正在引起注意。千兆以太网今天已发展出不同版本，得到广泛使用，10GigE通过XAUI标准在 AdvancedMC中得到支持。自从以太网在广域网中的早期应用以来，它已变得无处不在。

千兆以太网提供点对点的分组架构，数据包大小可变。MicroTCA用其作为基本结构，几乎确保能得到控制平面上机架内所有AdvancedMC的支持。现在没有针对千兆以太网的通用服务质量（QoS）标准，越来越多的路由器与交换机提供一些QoS特性，使基本结构也能用于低带宽的数据平面传输。

然而，对于大带宽的数据平面传输，从千兆以太网到10GigE的成本跳跃太大。以太网要求高CPU处理和分组协议开销，意味着以太网不是一种高效的实现标准。再加上以太网上传输的高延迟与抖动，设计者可能希望寻找其它的结构。

SERIAL RapidIO

由于这些问题，SRIO正在多处理器系统中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先进功能等特点。与PCI Express不同，SRIO可以有多个主处理器，并支持多播。它有较以太网更低的协议开销，并有更好的流控机制，和更高的原始带宽利用率。

SRIO最初开发用于处理器的互连，它同时适用于控制平面和数据平面的传输。它是一种点对点的分组架构，可以支持低开销的任何拓扑。它允许采用大小可变的分组数据包，和最大256字节的协议数据单元（PDU）。

除了大流量以外，SRIO还是一种高效率实现的技术。它本身就支持QoS，而以太网需要附加的协议层和网络协同操作。这使SRIO在某种数据带宽下具有了成本与功耗优势。

过去几年来，在DSP和信号处理市场上出现了从PCI Express到SRIO的明显转换。Crystal Cube Consulting公司预测，到2011年，带SRIO功能的DSP将占总DSP市场的34%，在无线基础架构应用中这一趋势尤为强劲。SRIO已在一些基带处理的主要DSP上实现，并可以得到独立的FPGA IP核心。

在支持多输入多输出（MIMO）系统，并采用扩频技术的无线基带处理应用如CDMA和OFDMA中，所有射频天线的数据都必须送给所有基带处理块。此时，实现优异性能的关键就是支持多播的高效低延迟互连，而SRIO就非常合适。

一个刀片级子系统的解决方案可能同时包含DSP和FPGA，选择两者的结合以适应特定应用的要求。SRIO结构可以用于射频数据分配，并用于设备之间的一种低延迟直接内存存取（DMA），包括在卡上和在卡外。将SRIO用于卡间和卡内连接可以将各种部件结合在一起。

在无线基站中，SRIO可以用于将数字“芯片速率”数据从用户天线转移到系统中的基带处理卡上。每个基带卡都带有一个SRIO互连，一般都有一个支持SRIO的高性能DSP。然后，经基带卡处理的数据仍通过SRIO，送至回程接口。