Una soluzione per Pci Express

LOGICHE PROGRAMMABILI –

Gli Fpga low-cost conformi allo standard Pci Express possono integrare un gran numero di periferiche.

Gli Fpga giocano un ruolo importante nell’elaborazione embedded: consentono di realizzare hardware su misura per l’interfacciamento dei protocolli, l’accelerazione dell’elaborazione dei segnali e il controllo embedded in tempo reale. Attualmente due tendenze indipendenti uniscono per aumentare l’utilizzo degli Fpga favorendo un approccio flessibile, scalabile e basato su piattaforma per la progettazione embedded a system-level. La prima tendenza riguarda l’aumento dell’uso di piattaforme standardizzate, di tipo general purpose, basate su una tecnologia di processore standard. Un esempio è il chipset che comprende il processore Intel Atom low-cost e un nucleo con funzioni di controllo del sistema. Questo chip fornisce un controllore di memoria, un controllore grafico e numerose interfacce comuni: agevola inoltre una semplice espansione degli I/O attraverso un paio di porte Pci Express a canale singolo. Nel frattempo, i partner dell’ecosistema, con le comunità Arm e Mips, hanno compiuto un grosso sforzo nel fornire dispositivi di interconnessione di tipo Pci Express e altri blocchi IP per essere certi che le proprie piattaforme siano in grado di supportare l’onnipresenza dello standard. In alcune applicazioni sui processori Arm girano alcune applicazioni chiave che ne migliorano l’efficienza energetica ed assicurano di conseguenza una durata maggiore delle batterie, accanto ai processori basati sulla tecnologia “WinTel”. Arm dispone dei propri processori Cortex-M3 a 32 bit, sviluppati specificamente per fornire una piattaforma low-cost e ad alte prestazioni per un’ampia gamma di applicazioni, che includono microcontrollori, sistemi per l’abitacolo delle autovetture, sistemi per il controllo industriale e per le reti wireless. La seconda tendenza è dovuta alla rapida adozione del protocollo Pci Express, introdotto da Intel al Pci Special Interest Group (Pci-SIG) nel 2004, quale generazione successiva di architettura di interconnessioni per i personal computer. La tecnologia fornisce ora i vantaggi di prestazioni, consumi e costi in un’ampia gamma di applicazioni di tipo non Pc. A supporto di questa tendenza ci sono gli Fpga low-cost che forniscono, incluse nei dispositivi, le interfacce conformi allo standard Pci Express, con transceiver seriali integrati e blocchi di terminazione Pci Express.

Come combinare processori e Fpga
per ottenere la massima flessibilità

La combinazione di processori embedded e di Fpga fornisce una soluzione più flessibile e scalabile rispetto alla Cpu tradizionale combinata al modello Asic/Assp. La tecnologia Pci Express fornisce una connessione ideale a banda larga per collegare i processori a basso consumo agli Fpga low-cost di ultima generazione, per creare interfacce specializzate e periferiche personalizzate. L’architettura di sistema flessibile permette la progettazione di un partizionamento hardware/software ottimale per ottenere il bilanciamento migliore di prestazioni, costi e consumi. La flessibilità dell’hardware dell’Fpga permette ai progettisti di infrangere i confini della funzionalità fissa e di evitare il rischio di obsolescenza dei componenti.
 
Come assemblare il sistema

Prima di esplorare le soluzioni disponibili per la costruzione delle periferiche abilitate a Pci Express, diamo un’occhiata all’evoluzione del protocollo Pci Express. La tecnologia delle comunicazioni seriali basate su pacchetti è stata creata per l’industria delle telecomunicazioni, allo scopo di facilitare le connessioni a banda larga sulle lunghe distanze. Alcune varianti forniscono l’interconnessione ad alta velocità fra un box e l’altro, oltre che la comunicazione fra schede attraverso le schede madri. Con lo sviluppo degli Fpga, fino a diventare degli elementi indispensabili del meccanismo delle comunicazioni ad alta velocità, l’industria ha risposto integrando i transceiver seriali ad alta velocità all’interno degli Fpga di alta fascia, a partire dalla famiglia di Fpga Virtex-II Pro di Xilinx. Le connessioni seriali, con la temporizzazione embedded, permettono la connettività chip-to-chip a larga banda, riducendo al contempo la complessità della scheda e il consumo di potenza e semplificando le temporizzazioni rispetto alle architetture basate su bus. Fino a poco tempo fa, l’I/O seriale era visto come una tecnologia complessa, usata solo nei sistemi di fascia alta, in cui i requisiti di prestazioni imponevano l’adozione di un nuovo tipo di interconnessione. Oggi, tuttavia, anche i sistemi elettronici più comuni presentano requisiti di prestazioni che giustificano il passaggio alle connessioni seriali. L’industria degli Fpga favorisce questa transizione integrando i transceiver seriali all’interno delle famiglie di Fpga low-cost. Intel introdusse la tecnologia Pci Express nel 2004, per rispondere ai requisiti di una larghezza di banda superiore nell’architettura Pc, superando al contempo le limitazioni di un’architettura a bus condiviso, come le asimmetrie e le collisioni sul bus, attraverso la messa a punto di uno schema di interconnessioni punto a punto che fa uso di connessioni seriali. La versione 1.1 delle specifiche di base dello standard Pci Express definisce una velocità di linea di 2,5 Gbps. Includendo lo schema di codifica 8b10b dello standard, si ottiene una velocità di trasmissione dati massima teorica di 2,0 Gbps (250 MB/s). Lo standard rende possibili le connessioni multi-canale per applicazioni che richiedono una larghezza di banda maggiore e alcune versioni successive dello standard aumentano ulteriormente la larghezza di banda, con velocità di linea di 5 Gbps (specifica base 2.0) e persino di 8 Gbps (specifica base v 3.0). Tuttavia, un singolo canale Pci Express v1.1 fornisce una banda sufficiente per i requisiti dei sistemi embedded, a fronte di consumi di potenza modesti. I vantaggi legati a una banda elevata e a un fattore di forma ridotto rendono la tecnologia Pci Express una scelta naturale per la comunicazione fra processore e Fpga in un sistema embedded. È possibile fornire ulteriori riduzioni nei costi, nei consumi e nel fattore di forma, integrando la tecnologia Pci Express all’interno del silicio di base degli Fpga. Una nuova classe di Fpga low-cost apporta questi vantaggi, integrando dei transceiver seriali, dei blocchi di terminazione Pci Express e funzionalità aggiuntive, per fornire la connettività Pci Express integrata. Queste aggiunte aumentano ulteriormente l’integrazione a livello di sistema e forniscono una soluzione vantaggiosa per realizzare soluzioni periferiche personalizzate per i sistemi di elaborazione embedded.

Di seguito precisiamo alcuni fattori inclusi nell’applicativo.
Connettività: Gli Fpga low-cost possono eseguire i più recenti protocolli di rete industriali in tempo reale, come EtherCAT, PROFINET, SERCOS III e Ethernet Powerlink, per permettere comunicazioni critiche per il processo all’interno di celle di produzione complesse e interconnesse nell’impianto produttivo. Gli Fpga abilitati dalla tecnologia Pci Express, combinati con i processori di punta, completano un sistema di controllo embedded che fornisce un flusso dati perfettamente integrato fra le reti aziendali e il sistema di automazione industriale.

Controllo dei motori
: gli Fpga possono realizzare acceleratori hardware che portano via il carico di algoritmi complessi come gli osservatori in tempo reale, la modellizzazione inversa, i filtri di Kalman, e il controllo orientato al campo senza sensori per motori di punta e sistemi di controllo del movimento. Integrazione di funzioni: gli Fpga consentono di integrare più intelligenza e più efficienza in periferiche complesse. Le loro strutture I/O flessibili supportano l’integrazione di più dispositivi come i sensori di immagini, i dispositivi seriali e i sistemi analogici, e il parallelismo intrinseco all’architettura Fpga rende possibile la pre/post-elaborazione dei dati. Un esempio è l’elaborazione delle immagini all’interno dei sistemi di visione artificiale. La realizzazione di connessioni seriali affidabili richiede alcune abilità speciali che potrebbero tuttavia non far parte del repertorio del comune progettista. Esploriamo queste sfide.

L’integrazione è il fattore essenziale
I requisiti per realizzare una terminazione Pci Express in un Fpga includono dei transceiver seriali, con in più della logica, per completare lo strato fisico, della logica aggiuntiva per realizzare lo strato di connessione dati e lo strato di transazione, oltre alla memoria per l’archiviazione temporanea delle transazioni. Fino a poco tempo fa, i transceiver seriali integrati erano disponibili solo negli Fpga di alta fascia più costosi. Tuttavia, le famiglie Fpga low-cost di ultima generazione offrono ora le funzionalità, la capacità e le prestazioni che un tempo erano di dominio esclusivo degli Fpga di alta fascia, compreso il supporto ai protocolli seriali attraverso i transceiver multi-gigabit integrati. Questi nuovi dispositivi consentono ai progettisti di eseguire funzioni periferiche complesse fra cui gli acceleratori hardware e le unità esterne, con una connessione efficiente a larga banda al processore host attraverso collegamenti Pci Express. I core IP sintetizzabili forniscono una soluzione conveniente per realizzare terminazioni Pci Express all’interno degli Fpga con transceiver integrati. Un approccio ancora migliore consiste nell’integrare le funzionalità dei terminali Pci Express nel silicio dell’Fpga. Un terminale integrato su silicio riduce i costi e i consumi perché consuma meno transistor rispetto alla funzione equivalente realizzata sulla matrice programmabile. Questo lascia più risorse della matrice logica a disposizione dei progettisti, i quali le possono usare per realizzare funzioni complesse in modo più economico. I vantaggi della connettività Pci Express integrata, un tempo di dominio esclusivo degli Fpga di alta fascia sono adesso disponibili anche nell’ultima generazione di Fpga low-cost. Mentre i blocchi terminali integrati su silicio sono considerati essere core IP “sintetizzati”, offrono ancora una notevole flessibilità attraverso parametri configurabili dagli utenti, come la dimensione massima del carico utile, la frequenza di clock di riferimento, la decodifica e il filtraggio del registro degli indirizzi di base e altro. I tool di sviluppo generano i file necessari per completare il progetto delle terminazioni, fissando le funzionalità configurabili nelle impostazioni desiderate, attivando le risorse di temporizzazione richieste e le memorie temporanee, e introducendo l’interfaccia all’interno della porzione della funzione terminale specifica per un’applicazione.

Soluzioni per creare periferiche personalizzate
Gli sviluppatori hanno goduto a lungo dei vantaggi delle piattaforme di sviluppo offerte dai produttori di processori, ora le Targeted Development Platform aiutano gli sviluppatori Fpga con vantaggi simili. Questo approccio a livello di piattaforma semplifica ai progettisti lo sviluppo di periferiche personalizzate per sistemi embedded, combinando silicio avanzato, tool di sviluppo, blocchi fondamentali di proprietà intellettuale e schede di espansione espandibili. I progetti di riferimento mirati uniscono insieme tutti questi elementi per creare un punto di partenza da cui i progettisti possono creare rapidamente dei sistemi personalizzati.

Silicio abilitato alla funzionalità Pci Express
La famiglia Spartan-6 LXT low-cost di Xilinx fornisce la connettività Pci Express integrata, unitamente alle risorse che rendono disponibili le funzionalità ad alta efficienza energetica, allo scopo di creare unità esterne alla Cpu per compiti di elaborazione con temporizzazione critica e acceleratori hardware personalizzati per funzioni ad alta intensità di calcolo. Questi dispositivi incorporano transceiver GTP a basso consumo e un blocco terminale Pci Express integrato su silicio per fornire un canale (x1) di connettività Gen 1. Il blocco terminale libera circa 7000 celle logiche di capacità, che verrebbero altrimenti usate per la realizzazione di un blocco IP sintetizzabile. Xilinx ha verificato la conformità degli Fpga Spartan-6 LXT ai requisiti elettrici e di interoperatività delle specifiche di base della versione 1.1 in occasione delle riunioni operative per la conformità tenute dal Pci SIG, l’organizzazione che ha creato e che fornisce le linee guide per le specifiche. Avendo passato tali procedure rigorose di collaudo, gli Fpga Spartan-6 LXT e la relativa scheda di valutazione SP605 sono inclusi nella lista degli integratori Pci Express.

Tool di sviluppo
Gli Fpga Spartan 6 sono supportati dalla Ise Design Tool Suite, che semplifica il compito del progettista, generando in modo automatico il blocco di proprietà intellettuale personalizzato LogiCore per configurare l’interfaccia terminale Pci Express. Il tool Core Generator fornisce un’interfaccia grafica utente per guidarvi attraverso il processo di impostazione dei parametri più importanti del terminale, inclusi i parametri configurabili dei transceiver GTP e del blocco terminale Pci Express, la Ram a blocchi per le memorie tampone necessarie e le risorse di temporizzazione. Inotre, integra l’interfaccia con la porzione specifica di un’applicazione del vostro progetto di terminali Pci Express. Il Tool Kit Pro Serial I/O ChipScope fornisce la capacità di valutare le prestazioni della connessione e di regolare finemente le impostazioni EQ del transceiver GTP.

Schede di valutazione del fattore di forma Pci Express
Per semplificare lo sviluppo del sistema, Xilinx offre la scheda di valutazione SP605 che include un connettore per schede Pci Express che rende semplice mettere in pratica le funzionalità dell’Fpga all’interno di una piattaforma Pc standard e quindi iniziare a creare il vostro progetto. Per semplificare l’espansione della scheda di valutazione con connettori specializzati o con circuiteria aggiuntiva, l’SP605 contiene un connettore per scheda Fpga Mezzanino per accettare le schede figlie da Xilinx e da fornitori terzi.

Progetti di riferimento mirati
I progetti di riferimento mirati combinano tutti gli elementi di cui i progettisti hanno bisogno per valutare rapidamente le capacità del silicio dell’Fpga e per fornire un punto di partenza conveniente per mettere a punto una soluzione personalizzata. I Connectivity Targeted Reference Design rispondono ai requisiti per la realizzazione e la verifica di connessioni seriali affidabili, fornendo i codici sorgente, gli script attuativi, e qualsiasi software richiesto per far girare il progetto di riferimento (ad es. driver, API e GUI), oltre alla documentazione.  Il progetto di riferimento mirato per la connettività degli Fpga Spartan-6 costituisce un dispositivo di interconnessione pienamente operativo fra i protocolli Gigabit Ethernet e Pci Express, e fornisce una piattaforma efficiente per valutare i componenti chiave integrati in un Fpga Spartan-6 LXT:
•    Transceiver GTP;
•    Blocco terminale integrato per Pci Express;
•    Blocco controllore di memoria che supporta le SDRAM DDR/DDR2/DDR3 e le memorie LPDDR.

Il progetto di riferimento mirato per la connettività integra anche numerosi core IP aggiuntivi, inclusa un’unità DMA Bus Mastering Packet, fornita da Northwest Logic, membro dello Xilinx Alliance Program e lo Xilinx Platform Studio Local Link Tri-Mode Ethernet MAC (XPS-LL-TEMAC). L’unità DMA opera in combinazione con il blocco terminale integrato di tipo Pci Express per scaricare il processore dalle operazioni di trasferimento dati, e consente il movimento dei dati ad alta velocità fra la memoria di sistema e l’Fpga. Il blocco terminale Pci Express fornisce un’interfaccia al sistema host, mentre la connessione Gigabit Ethernet realizza una scheda di interfaccia di rete.

Come combinare tutti gli elementi
Per semplificare il progetto delle periferiche abilitate alla tecnologia Pci Express, Xilinx combina tutti questi elementi nel Kit per la Connettività degli Fpga Spartan-6. Ciascun kit è disponibile pre-configurato con il progetto di riferimento mirato per la connettività degli Fpga Spartan-6 già caricato e verificato su una scheda di sviluppo Xilinx SP605 (dotata dell’Fpga Spartan-6 LX45T). Il kit include anche l’ISE Design Suite completa: Embedded Edition, file driver del dispositivo, file sorgente di progetto e file di progetto su scheda. Un elemento chiave del kit è una licenza di produzione completa dell’unità packet DMA di Northwest Logic, che consente l’uso efficiente della memoria di sistema alla velocità multi-gigabit del transceiver seriale. Tutto il software necessario e i file sono caricati su una chiavetta Usb, che è fornita assieme alle versioni cartacee delle guide Hardware Setup e Getting Started. Questo consente ai progettisti di mettere in piedi il proprio sistema in tempi rapidi, iniziare la valutazione, e incominciare a estendere il progetto per realizzare la propria applicazione.

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