表1：Virtex-5 FXT產(chǎn)品一覽

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PowerPC 440處理器模塊
??? PowerPC 440處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于賽靈思公司高密度FPGA所面向的細(xì)分市場中的眾多系統(tǒng)應(yīng)用中，并且經(jīng)受了測試和驗證,。Virtex-5 FXT FPGA率先提供了同時符合兩個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC 440處理器,，其增強的系統(tǒng)性能可支持設(shè)計人員快速容易地實現(xiàn)先進(jìn)的可升級嵌入式處理應(yīng)用。每個處理器集成32KB指令和32KB數(shù)據(jù)緩存,，在550MHz時鐘下可以提供高達(dá)1,100 DMIPS的性能,。

??? 大幅提高系統(tǒng)處理性能的關(guān)鍵是通過多通道、高效,、并發(fā)高速數(shù)據(jù)訪問來提高總體數(shù)據(jù)吞吐能力,。為達(dá)到這一目的，新集成的5x2 縱橫交換式處理器互連架構(gòu)與PowerPC 440處理器緊密耦合,，提供并發(fā)I/O和存儲器訪問能力（圖1）,。這一高度集成的架構(gòu)支持5個主PLB（處理器局部總線）接口和兩個從接口、四個獨立收發(fā)全雙工信道DMA端口和一個專用存儲器總線接口,，因此存儲器帶寬最高可達(dá)此前解決方案的5倍,。在新的硬核化縱橫交換式架構(gòu)管理下，系統(tǒng)支持并發(fā)訪問多個128位總線（原來為64位）的數(shù)據(jù),，從而進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)吞吐能力,。先進(jìn)的PLB架構(gòu)支持高吞吐量128位接口，可縮小系統(tǒng)瓶頸,，從而最大化處理器,、縱橫開關(guān)式交換構(gòu)造以及軟IP邏輯之間的數(shù)據(jù)傳輸能力。

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圖 1.PowerPC 440模塊包括PowerPC 440內(nèi)核和新的互連架構(gòu)

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??? 與這一新架構(gòu)形成互補的是,，這一平臺集成的增強高性能輔助處理器控制單元（APU）接口允許用戶可以構(gòu)造輔助處理器來執(zhí)行非PowerPC 440指令集的指令,。這樣就為視頻處理、3D數(shù)據(jù)處理和浮點算術(shù)等應(yīng)用中的專用協(xié)處理引擎或用戶專用定制指南提供了支持。

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高速串行連接能力
??? Virtex-5 FXT平臺支持最熱門的數(shù)字I/O和數(shù)千兆位（multi-gigabit）串行I/O技術(shù),，提供多達(dá)24個全功能RocketIO 千兆級收發(fā)器（GTX),。這些增強的收發(fā)器現(xiàn)在可以支持從500Mbps到6.5Gbps的數(shù)據(jù)速率。Virtex-5 FXT GTX收發(fā)器是目前Virtex-5系列中速度最快的,，不僅擴(kuò)展了Virtex-5 LXT和SXT FPGA中得到驗證的收發(fā)器架構(gòu),，同時也方便了在Virtex-5 LXT、SXT & FXT平臺間的設(shè)計移植,。

??? 在附加高數(shù)據(jù)速率性能的同時6.5Gbps速率時每通道消耗的典型功耗只有200mW,。當(dāng)運行在較低的3.75 Gbps速率時，每通道功耗僅100mW,。

??? 除了更高的串行I/O性能以外,，還增強了一些其它關(guān)鍵特性。為提高這些高速信號的信號完整性,，集成了4抽頭決策反饋均衡器（DFE）,、線性均衡器和發(fā)送預(yù)加重補償。決策反饋均衡器（DFE）是一種非線性均衡器,，利用前檢測決策來消除當(dāng)前解調(diào)脈沖的符號間干擾（ISI）,。DFE的優(yōu)點是其工作在無噪聲的量化電平上，因此其輸出與信道噪聲無關(guān),。

??? GTX收發(fā)器提供了一種新的靈活速率變換器,，或變速箱，支持主要領(lǐng)先協(xié)議的8B/10B, 64B/66B 和 64B/67B編碼和同步,。獨立的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)流支持全雙工操作,。

??? 用于PCI Express、Gigabit Ethernet 和 XAUI的完整協(xié)議包為設(shè)計成功提供了一個低風(fēng)險的路徑,。該協(xié)議包還可為SONET OC-48/SDH STM-16 和 CPRI (Common Public Radio Interface)提供專用協(xié)議參數(shù)報告,，從而能夠在采用新的串行協(xié)議時更有信心。每一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議包都包括針對特定協(xié)議物理層的特性描述報告,、互操作性和兼容性報告,、知識產(chǎn)權(quán)（IP）內(nèi)核以及技術(shù)文檔，支持用戶高效且低風(fēng)險地在Virtex?-5 FPGA中實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的高速串行協(xié)議,。

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系統(tǒng)級數(shù)字信號處理
??? Virtex-5 FXT平臺的DSP性能對于其作為終極系統(tǒng)集成平臺的價值做出了重要貢獻(xiàn),。基本上,，與傳統(tǒng)DSP處理器的固定架構(gòu)相比,，F(xiàn)PGA提供的DSP性能高出幾個數(shù)量級。目前越來越多的通信和多媒體系統(tǒng)都需要高于4MSPS的DSP性能,，因此已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大多數(shù)獨立DSP處理器的極限,。

??? 利用FPGA可以方便地構(gòu)造出高度并行的處理架構(gòu)，能夠在單個時鐘周期里完成復(fù)雜的算法，從而單片器件就可以提供數(shù)以百計的MSPS性能,。在如此高的DSP性能水平,，設(shè)計人員可以選擇降低FPGA的時鐘速率來節(jié)省功耗，也可以選擇實現(xiàn)更多通道來降低系統(tǒng)成本并降低材料清單成本（BOM）,。

??? Virtex-5 FPGA 系列高性能DSP功能的關(guān)鍵是其DSP48E 邏輯片,。這些邏輯片能夠高效執(zhí)行大多數(shù)數(shù)字濾波器底層運算的乘法累加操作。含內(nèi)建乘法器模塊的FPGA支持以專用硬件實現(xiàn)更寬輸入的濾波器,，從而使DSP設(shè)計人員可以獲得更高的性能。Virtex-5 FXT FPGA提供高比率的DSP邏輯片（含高達(dá)384個內(nèi)建18x25 DSP邏輯片）,，可以在500MHz時鐘頻率下提供高達(dá)192 GMACs/秒的性能,。與Virtex-4中的18 x 18乘法器相比，Virtex-5 DSP48E邏輯片中的乘法器達(dá)到25 x 18,。與更寬的數(shù)據(jù)路徑和96位累加輸出相配合可以支持更高精度的單精度浮點運算,。同時，DSP48E邏輯片在高精度濾波器工作時消費的資源也更少,。

除了快速的邏輯執(zhí)行速度以外,，高性能系統(tǒng)還需要處理單元具備快速吞吐大量數(shù)據(jù)的能力。Virtex FPGA提供了兩種互補的方法來構(gòu)建高效的存儲器結(jié)構(gòu)：?
?? ?查找表（LUT）邏輯結(jié)構(gòu)中的存儲器單元構(gòu)成的分布式RAM可以支持實現(xiàn)64位移位寄存器,。
? ??36Kb模塊的嵌入式BlockRAM 結(jié)構(gòu)可提供多達(dá)16.5 Mb的存儲器,。

??? 由于嵌入式BlockRAM結(jié)構(gòu)在芯片上是與DSP48E邏輯片鄰近的，因此它們?yōu)橄驗V波器架構(gòu)供應(yīng)數(shù)據(jù)提供了超高帶寬方法,。FXT平臺可提供高達(dá)16.5Mb的內(nèi)部存儲器和163 GBytes/s聚集IO性能的總IO帶寬,，可以滿足系統(tǒng)級要求。

高系統(tǒng)集成度進(jìn)一步提高性能
??? Virtex-5 FXT FPGA系統(tǒng)集成度的增強進(jìn)一步提高了性能,，這主要是由于整個平臺處理子系統(tǒng)改善的復(fù)合效應(yīng),。采用縱橫交換式互連架構(gòu)來代替單共享總線互連方式，利用多個獨立總線組成的網(wǎng)絡(luò)來并行完成數(shù)據(jù)傳輸,，從而改善了總體系統(tǒng)性能,。多個運算操作可同時進(jìn)行，減少了堵塞和等待時間,。利用128數(shù)據(jù)傳輸則進(jìn)一步提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力,。

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圖 2.在Virtex-5 FXT平臺上，新的PowerPC 440處理器模塊接口

通過硬交換式互連構(gòu)造與硬核三模以太網(wǎng)MAC連接,。

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??? 例如,，圖2中所示的千兆以太網(wǎng)設(shè)計顯示出縱橫交換式結(jié)構(gòu)中存儲器控制器（構(gòu)造中生成的軟控制器）與存儲器控制器接口（MCI）的典型連接。由于這是一個獨立于其它訪問操作（如外設(shè)處理）的專用端口,，因此總延遲和帶寬也獲得改善,。外設(shè)（軟）附加到PLB46總線，并連接到縱橫交換構(gòu)造上獨立的主PLB（MPLB）端口。

??? 千兆以太網(wǎng)通過新集成的硬件DMA控制器之一連接到系統(tǒng),。DMA引擎也接口到縱橫交換構(gòu)造,。在需要時，這一交換構(gòu)造成為DMA引擎與主存儲器的連接路徑,。千兆以太網(wǎng)設(shè)計還利用了Virtex-5 FXT平臺中的硬核千兆以太網(wǎng)MAC,，因此可以利用更少的資源并降低功耗。

??? 將上述基于Virtex-5 FXT平臺的千兆位以太網(wǎng)系統(tǒng)與基于Virtex-4 FX平臺的同樣系統(tǒng)相比,，性能提高了2.7倍,。這一性能提升是指總體系統(tǒng)吞吐能力的提升，而非僅僅是處理器,、外設(shè)或I/O,。

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應(yīng)用
??? 眾多復(fù)雜應(yīng)用如有線和無線通信、音頻/視頻廣播,、航空和國防以及工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療等四大關(guān)鍵行業(yè)所提出的高度多元化的苛刻要求,， 使得Virtex-5 FXT平臺復(fù)合系統(tǒng)集成應(yīng)運而生。這些市場中的客戶對于賽靈思FXT產(chǎn)品線的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn),，他們的共同推動,， 使得器件配置能夠滿足FPGA邏輯、嵌入式處理,、DSP,、存儲器和串行IO等所有方面的要求。

通信
??? 無線通信市場是一個變化快速且具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境,。系統(tǒng)設(shè)計人員始終面臨提供新解決方案的挑戰(zhàn),，或者是為了降低現(xiàn)有產(chǎn)品成本，或者是提供無風(fēng)險的基礎(chǔ)設(shè)施遷移方法,，為現(xiàn)有以及下一代技術(shù)（如3GPP-LTE 和 WiMAX）提供高效的支持,。?

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圖 3.采用Virtex-5 FX100T器件的下一代無線基站（LTE）。

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??? 在這一應(yīng)用中采用賽靈思Virtex-5 FXT FPGA可保證處理器子系統(tǒng),、DSP賦能的FPGA構(gòu)造以及高速通信之間的緊密耦合和集成,。這一LTE基帶參考系統(tǒng)的硬件和軟件單元的集成都利用標(biāo)準(zhǔn)硬件電路板在單片Virtex-5 FX100T器件上實現(xiàn)。

音頻/視頻廣播
??? IP視頻（Video-Over-IP）系統(tǒng)利用MPEG-2等壓縮標(biāo)準(zhǔn)對視頻流進(jìn)行編碼,。然后,，該系統(tǒng)利用因特網(wǎng)協(xié)議（IP）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上不同點之間編碼位流的傳輸。與網(wǎng)絡(luò)上非時間關(guān)鍵的其它業(yè)務(wù)流量不同,，視頻數(shù)據(jù)必須遵守嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求才能夠滿足視頻要求,。

??? 目前利用視頻處理器、用于加速或完成實時算法的可編程邏輯,、以及用于網(wǎng)絡(luò)通信的以太網(wǎng)解決方案構(gòu)成的分塊式解決方案也可以滿足這些要求,。但Virtex-5 FXT FPGA是業(yè)界首個在單個可編程SOC芯片上實現(xiàn)了所有這些功能,。

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圖 4.IP視頻（Video-Over-IP）系統(tǒng)集成圖顯示高級要求

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終極設(shè)計解決方案
??? 很顯然，這一終極系統(tǒng)集成平臺需要一個統(tǒng)一的設(shè)計環(huán)境" title="設(shè)計環(huán)境">設(shè)計環(huán)境,。這一設(shè)計環(huán)境可以充分發(fā)揮賽靈思FPGA器件中所集成的系統(tǒng)級平臺單元和豐富功能,，保證最佳的設(shè)計生產(chǎn)力和系統(tǒng)性能。

??? 為此,，賽靈思公司推出了ISE Design Suite 10.1版軟件套件,。該套件為系統(tǒng)設(shè)計小組提供了創(chuàng)建集靈活的FPGA邏輯、嵌入式處理,、高速串行IO,、DSP、板上存儲器設(shè)計和接口以及可定制IP模塊于一體的高級最終解決方案所需要的所有開發(fā)和調(diào)試工具,。ISE 設(shè)計套件集成了多種屢獲殊榮的設(shè)計工具和技術(shù),，可方便和加快系統(tǒng)開發(fā)。該套件包括以下工具：

• FPGA設(shè)計環(huán)境?

?? ?-?ISE Foundation ?軟件和ISE WebPACK ?軟件 (免費下載)?
??? -?PlanAhead ?設(shè)計和分析工具以及PlanAhead Lite?
??? -?SmartXplorer

• 嵌入式處理設(shè)計環(huán)境?

??? ?-?Xilinx Platform Studio 和嵌入式開發(fā)套件（ Embedded Development Kit (EDK)）?

• DSP設(shè)計環(huán)境?

??? -?System Generator for DSP??
??? -?AccelDSP ?Synthesis Tool??
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• 平臺調(diào)試支持?

??? -?ChipScope ?Pro 工具??
??? -?ChipScope Pro 串行 I/O 工具集

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??? 作為 ISE Design Suite的一部分,， ISE Foundation軟件是業(yè)界首屈一指的FPGA邏輯設(shè)計工具集。與ISE Foundation一起提供的還有賽靈思公司PlanAhead設(shè)計分析工具,，為適配到賽靈思FPGA器件的設(shè)計提供了強大的分析和布局功能,。此外，SmartXplorer技術(shù)則使設(shè)計人員能夠每天完成更多次物理實現(xiàn),，同時性能也可進(jìn)一步提高多達(dá)38%,。

??? 對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，Xilinx Platform Studio和嵌入式開發(fā)套件 (EDK)提供了一個綜合硬件和軟件設(shè)計環(huán)境,，可加速嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計速度,。

??? XtremeDSP開發(fā)工具包包括了System Generator for DSP和AccelDSP 綜合工具。利用這些工具,，可以方便地將利用The MathWorks 公司廣受歡迎的MATLAB ?和 Simulink ?DSP 建模環(huán)境開發(fā)的DSP算法在FPGA硬件中實現(xiàn),。

??? ChipScope Pro可通過針對“平臺”器件的調(diào)試，能夠發(fā)現(xiàn)深藏在硬件和軟件之中的嵌入式缺陷,。ChipScope Pro Serial I/O工具集支持用戶快速評估和測量高速串行I/O通道的位錯率（BER）,。

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總結(jié)
??? 系統(tǒng)集成對于電子行業(yè)來說始終是一項具有戰(zhàn)略意義的價值無法衡量的基本方法。通過系統(tǒng)集成可以降低成本,、提高性能并使系統(tǒng)級技術(shù)走向下一個里程碑,，將原來需要整整一個機(jī)箱才能完成的工作縮小到電路板大小，將電路板實現(xiàn)的功能集成到IC（ASIC和ASSP）中,。???