Vivado IPI 為 Aurora 設(shè)計(jì)開放 FPGA 共享資源

　　賽靈思的 IP Integrator 工具可幫助您改善設(shè)計(jì)輸入生產(chǎn)力和多核 Aurora 設(shè)計(jì)的資源優(yōu)化。

　　作者：

　　K Krishna Deepak

　　賽靈思高級(jí)設(shè)計(jì)工程師

　　kde@xilinx.com

　　Dinesh Kumar

　　賽靈思高級(jí)工程經(jīng)理

　　dineshk@xilinx.com

　　Jayaram PVSS

　　賽靈思高級(jí)工程經(jīng)理

　　jayaram@xilinx.com

　　Ketan Mehta

　　賽靈思高級(jí)IP產(chǎn)品經(jīng)理

　　ketanm@xilinx.com

　　客戶在必須由單個(gè) FPGA 實(shí)現(xiàn)的大型設(shè)計(jì)中使用多個(gè)知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 實(shí)例時(shí)，面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何在整個(gè)系統(tǒng)中有效共享資源。賽靈思 Aurora 串行通信內(nèi)核的共享邏輯特性使用戶可以在多個(gè)實(shí)例中共享資源。Vivado 設(shè)計(jì)套件中的 IP Integrator 工具對(duì)于充分利用共享資源至關(guān)重要。

　　電子行業(yè)正快速轉(zhuǎn)向高速串行連接解決方案，同時(shí)逐漸舍棄并行通信標(biāo)準(zhǔn)。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議具有固定的線路速率和確定的信道寬度，有時(shí)無(wú)法充分利用千兆位串行收發(fā)器的功能。

　　Aurora 是賽靈思的高速串行通信協(xié)議，一直在行業(yè)內(nèi)非常受歡迎。當(dāng)某些應(yīng)用領(lǐng)域中的行業(yè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程太過(guò)復(fù)雜或者太耗費(fèi)資源時(shí)，Aurora 通常是首選方案。Aurora 能實(shí)現(xiàn)低成本、高數(shù)據(jù)速率的可擴(kuò)展IP解決方案，可用于靈活地構(gòu)建高速串行數(shù)據(jù)通道。

　　需要同時(shí)對(duì)線路速率和通道寬度進(jìn)行擴(kuò)展的高性能系統(tǒng)和應(yīng)用正在期待將 Aurora 作為解決方案。此外，Aurora 還被應(yīng)用于 ASIC 設(shè)計(jì)以及包含多塊 FPGA 的系統(tǒng)(用背板傳輸千兆位的數(shù)據(jù))中。Aurora 采用簡(jiǎn)單的幀結(jié)構(gòu)，并具有協(xié)議擴(kuò)展流量控制功能，可用于封裝現(xiàn)有協(xié)議的數(shù)據(jù)。它的電氣要求與產(chǎn)品設(shè)備兼容。賽靈思提供 Aurora 64b66b 和 Aurora 8b10b 內(nèi)核，作為 Vivado 設(shè)計(jì)套件 IP 目錄的一部分。

　　Vivado IP Integrator (IPI) 是用于復(fù)雜多核系統(tǒng)中資源優(yōu)化的重要工具。就這一點(diǎn)而言，IPI 將幫助您充分利用 Aurora 64b66b 和 Aurora 8b10b 內(nèi)核中的共享資源，尤其是“共享邏輯”特性。為了方便起見，我們重點(diǎn)介紹 Aurora 64b66b IP，同時(shí)您要了解類似技術(shù)也適用于 Aurora 8b10b 內(nèi)核。

　　AURORA 的共享資源一覽

　　圖 1 是 Aurora 64b66b 內(nèi)核的典型方框圖。突出顯示部分為時(shí)鐘資源，例如混合模式時(shí)鐘管理器 (MMCM)、BUFG 和 IBUFDS;以及千兆位收發(fā)器 (GT) 資源，例如 GT common 和 GT 通道，在圖中標(biāo)示為賽靈思 7 系列器件雙路設(shè)計(jì)的 GT1 和 GT2。

　　圖 1–用橙色突出顯示的 Aurora 64b66b 內(nèi)核中的共享資源

　　就像 Kintex-7 FPGA KC705 評(píng)估套件那樣，典型 16 路 Aurora 64b66b 內(nèi)核所需的時(shí)鐘和 GT 資源已在表 1 中列出。

　　FPGA 中的時(shí)鐘和 GT 資源取決于所選的器件和封裝類型。多個(gè) IP 內(nèi)核經(jīng)常要求在系統(tǒng)級(jí)使用資源。因此，必須要優(yōu)化利用這些寶貴資源，以降低系統(tǒng)成本和功耗。

　　IPI 工具將內(nèi)核作為頂層模塊進(jìn)行可視化;標(biāo)準(zhǔn)接口之間的連接現(xiàn)在更加直觀和智能化，在有些情況下甚至可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。正確的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查被置入工具以及 IP 周圍，以確保突出顯示錯(cuò)誤連接，以便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)輸入時(shí)發(fā)現(xiàn)它們。該工具能自動(dòng)生成頂層封裝文件以及調(diào)用正確的引腳級(jí) I/O 要求，因此可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高生產(chǎn)力。如果您已經(jīng)設(shè)計(jì)了定制子模塊，可以考慮

　　AURORA 資源共享

　　因?yàn)槎嗫罨?nbsp;GT 的賽靈思內(nèi)核都支持共享邏輯特性，Aurora 內(nèi)核可配置為“內(nèi)核(主機(jī))中的共享邏輯”或“實(shí)例設(shè)計(jì)(從機(jī))中的共享邏輯”。當(dāng)在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行實(shí)例化時(shí)，兩種配置的組合可支持在主機(jī)與從機(jī)之間共享時(shí)鐘和 GT 資源。

　　對(duì)于需要使用共享邏輯特性的應(yīng)用，手動(dòng)建立多個(gè) IP 之間的連接有可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，并增加總的設(shè)計(jì)輸入時(shí)間。借助工具進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入是一種解決該問(wèn)題的方法，而賽靈思的 IP Integrator 能游刃有余地完成這個(gè)任務(wù)。

　　依照賽靈思應(yīng)用指南 1168，“針對(duì) Vivado IP Integrator 打包定制 AXI IP”(XAPP1168) 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行打包，并在 IPI 中使用子模塊。

　　Aurora 的共享邏輯特性不僅可讓用戶在多個(gè)實(shí)例中共享資源，而且還能在相同 GT Quad 封裝中使用 GT 通道，無(wú)需編輯 GT common、PLL、時(shí)鐘以及相關(guān)模塊。唯一的約束是“共享”內(nèi)核的線路速率應(yīng)該相同(允許存在諧波，只要您能接受其對(duì)時(shí)鐘資源的影響即可)。

　　典型的共享邏輯設(shè)計(jì)在一個(gè) Guad 中包含一個(gè)主機(jī)以及一個(gè)或多個(gè)從機(jī)實(shí)例。與大多數(shù)其它通信 IP 不同，Aurora不僅限于單個(gè) Guad 共享。Aurora 內(nèi)核的共享邏輯定義可擴(kuò)展用于任意數(shù)量的受支持信道。

　　下面的一些實(shí)例展示了 Aurora 共享邏輯特性的應(yīng)用情況。

　　多個(gè)單信道設(shè)計(jì)

　　單部 FPGA 中的多個(gè)單信道設(shè)計(jì)與多信道設(shè)計(jì)的不同之處在于前者需要通道綁定。我們可以直觀地看到多個(gè)單信道設(shè)計(jì)所需的資源會(huì)在系統(tǒng)級(jí)線性增加。讓我們考慮不同情況，并了解共享邏輯特性如何在每種情況下起作用。

　　我們首先從包含四條單信道的設(shè)計(jì)開始。通過(guò)實(shí)例化四個(gè)單信道 Aurora 內(nèi)核，您可直接構(gòu)建這類設(shè)計(jì)。如果我們實(shí)際執(zhí)行該實(shí)現(xiàn)方案，會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè) Aurora 設(shè)計(jì)都有一個(gè) GT common 實(shí)例;因此，該設(shè)計(jì)的布局和資源利用會(huì)遍及四個(gè) GT Guad。這種方法消耗太多資源，不一定總是可行。

　　表 1–Kintex-7 FPGA KC705 評(píng)估套件上的時(shí)鐘和 GT 資源利用率

　　為實(shí)現(xiàn)更好的布局以及在功耗和資源方面精心優(yōu)化的解決方案，所選的四個(gè) GT 應(yīng)來(lái)自同一個(gè) GT Guad。

　　如果沒(méi)有共享邏輯特性，而是通過(guò)手動(dòng)處理所生成的設(shè)計(jì)來(lái)滿足該要求，需要花費(fèi)很大精力。要想有效使用共享邏輯特性，您需要生成一個(gè)主機(jī)模式的 Aurora 內(nèi)核以及其它三個(gè)從機(jī)模式的 Aurora 內(nèi)核，如圖 2 所示。另外，還有一些其它的系統(tǒng)級(jí)考慮因素，例如主機(jī)內(nèi)核控制了進(jìn)入從機(jī)內(nèi)核的時(shí)鐘，所以需要對(duì)內(nèi)核復(fù)位。只有用相同的線路速率配置 Aurora 內(nèi)核，才能立即實(shí)現(xiàn)這種配置和資源優(yōu)化。表 2 定量地說(shuō)明了在系統(tǒng)中為四個(gè)單信道設(shè)計(jì)使用共享邏輯特性所能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

　　圖 2–使用一個(gè)主機(jī) Aurora 內(nèi)核(左)和三個(gè)從機(jī)的共享邏輯設(shè)計(jì)

　　占用 12 個(gè) GT 通道的設(shè)計(jì)

　　對(duì)于 7 系列 FPGA 而言，基于南北時(shí)鐘的要求是如果從中間 Guad 中選擇單個(gè)參考時(shí)鐘源，其最多可服務(wù) 12 個(gè) GT 通道。

　　讓我們考慮下這種使用情況，其需要 12 個(gè)單信道設(shè)計(jì)使用盡可能少的時(shí)鐘資源。

　　如果您將圖 2 所示的“一個(gè)主機(jī)加三個(gè)從機(jī)”配置進(jìn)行延伸，便可節(jié)省時(shí)鐘資源。如果將這種 1+3 配置延伸為三個(gè) Guad，那么設(shè)計(jì)一共需要六個(gè)差分時(shí)鐘資源。不過(guò)，如果您選擇讓其中兩個(gè)主機(jī)設(shè)計(jì)接受一個(gè)單端 INIT_CLK 和一個(gè) GT 參考時(shí)鐘，那么還能節(jié)省更多資源。這樣我們可將該系統(tǒng)的差分時(shí)鐘輸入從六個(gè)減少至兩個(gè)，從而節(jié)省 IBUFDS/IBUFDS_GTE2 資源需求(參見表 3)。設(shè)計(jì)中的 IBUFDS_GTE2 資源節(jié)省實(shí)際上還意味著可以節(jié)省外部時(shí)鐘資源以及設(shè)計(jì)管腳。

　　表 2–在包含四條單信道的設(shè)計(jì)中使用共享邏輯所實(shí)現(xiàn)的資源利用率優(yōu)勢(shì)

　　此外，還可針對(duì) MMCM 進(jìn)行類似的優(yōu)化。

　　表 3–在包含 12 條單信道的設(shè)計(jì)中使用共享邏輯功能所實(shí)現(xiàn)的資源優(yōu)勢(shì)