Programmierbare Logik
Prozessor liebt FPGA
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Kombination von Prozessor und FPGA erhöht Flexibilität
Die Kombination eines Prozessors und eines FPGA ist eine Lösung, die wesentlich flexibler und skalierbarer ist als die traditionellen CPUs plus ASICs/ASSPs (Bild 1). Die PCI-Express-Technik stellt eine hohe Bandbreite zur Verbindung von preisgünstigen Prozessoren mit den neusten preiswerten FPGAs für die Generierung von speziellen Schnittstellen und kundenspezifischer Peripherie bereit. Die flexible Systemarchitektur erlaubt es den Entwicklern, die optimale Hardware/Software-Aufteilung zu wählen, um die beste Ausgewogenheit zwischen Leistungsfähigkeit, Kosten und Verlustleistung zu erzielen. Die Flexibilität der FPGA-Hardware erlaubt es den Entwicklern, sich von den Einschränkungen eines festgelegten Funktionsumfangs zu lösen und das Risiko der Veraltung von Komponenten zu vermeiden.
Die Technik der paket-basierten Kommunikation wurde für die Telekommunikationstechnik entwickelt, um Weitbereichsverbindungen mit hoher Bandbreite zu vereinfachen. Verschiedene Varianten liefern schnelle Verbindungen zwischen den Geräten (box-tobox) und ermöglichen ebenso die Board-zu-Board-Kommunikation über Backplanes. Weil sich FPGAs zu unerlässlichen Elementen der schnellen Kommunikation entwickelt haben, reagierte die Industrie mit der Integration von schnellen seriellen Transceivern in Hochleistungs-FPGAs. Diese Entwicklung begann mit der Markteinführung der Virtex-II-Pro-FPGA-Familie von Xilinx. Serielle Verbindungen mit integrierten Taktgebern ermöglichen eine Verbindung von Chip zu Chip mit hoher Bandbreite und reduzieren gleichzeitig die Baugruppenkomplexität sowie den Energieverbrauch und vereinfachen das Timing, jeweils verglichen mit bus-basierenden Architekturen.
Bis vor kurzem wurde serielle I/O als komplexe Technik betrachtet, die nur in Hochleistungssystemen verwendet wurde, in denen die Anforderung nach höchster Leistungsfähigkeit den Einsatz dieser neuen Verbindungstechnik diktierte. Heute jedoch haben selbst gängige Elektroniksysteme Leistungsanforderungen, die einen Übergang auf die serielle Verbindungstechnik rechtfertigen. Die FPGA-Industrie ermöglicht diesen Übergang, indem sie serielle Transceiver in preisgünstige FPGA-Familien integriert. Intel präsentierte die PCI-Express- Technik im Jahre 2004, um die Anforderungen nach höherer Bandbreite in der PC-Architektur zu erfüllen. Damit wurden die Einschränkungen einer verteilten Bus-Architektur und Bus-Konflikte überwunden, indem man eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit serieller Verbindungstechnik implementierte. Die PCI-Express-Basisspezifikation V1.1 definiert eine Leitungsübertragungsrate von 2,5 Gbit/s. Eingebunden in das 8b10b-Codierungsschema des Standards resultiert dies in einer theoretischen maximalen Datenrate von 2,0 Gbit/s (250 Mbyte/s).
Der Standard erlaubt Multi-Lane- Verbindungen für Applikationen, die höhere Bandbreiten benötigen, und nachfolgende Revisionen des Standards erhöhten die Bandbreite der Leitungsübertragungsraten auf 5,0 Gbit/s (Basisspezifikation 2.0) und sogar 8 Gbit/s (Basisspezifikation V3.0). Eine einzige PCI-Express-Lane nach V1.1 liefert ausreichend Bandbreite für die Anforderungen von Embedded- Systemen bei moderatem Energieverbrauch. Die Vorteile von hoher Bandbreite und kompakter Form machen die PCI-Express-Technik in einem Embedded-System zur natürlichen Wahl für die Kommunikation vom Prozessor zum FPGA. Weitere Reduzierungen bezüglich Kosten, Verlustleistung und Systemgröße können erzielt werden, indem man die PCI-Express-Technik in das Silizium des FPGA integriert.
Eine neue Klasse von preiswerten FPGAs bietet diese Vorzüge durch die Integration von seriellen Transceivern, PCI-Express-Endpunkt-Funktionsblöcken und zusätzlichen Funktionen, um die eingebaute PCI-Express-Verbindungstechnik zu realisieren. Diese Ergänzungen steigern die Systemintegration weiter und bieten eine attraktive Lösung zum Aufbau von kundenspezifischer Peripherie zur Signalverarbeitung in Embedded-Systemen. Preiswerte FPGAs können die neusten industriellen Echtzeit-Netzwerkprotokolle wie EtherCAT, Profinet, Sercos III und Ethernet-Powerlink enthalten, um damit komplexe vernetzte Fertigungszellen in der Fabrikhalle zu realisieren. PCI-Express-fähige FPGAs, kombiniert mit führenden Prozessoren komplettieren ein eingebettetes Steuerungssystem, das einen nahtlosen Datenfluss zwischen dem Unternehmensnetzwerk und dem industriellen Automatisierungssystem ermöglicht.
FPGAs können weiterhin Hardware- Beschleuniger enthalten, die komplexe Algorithmen wie Echtzeit- Monitore, inverse Modellierung, Kalman- Filter und die sensorlose, feldorientierte Steuerung für Motor- und Bewegungssteuerungssysteme übernehmen. Ihre flexiblen I/O-Strukturen unterstützen weiterhin die Integration von verschiedenen Elementen wie Bildsensoren, seriellen Bauteilen und analogen Systemen, und die Möglichkeit der Parallelverarbeitung, die in der FPGA-Architektur steckt, ermöglicht die effektive Vor-/Nachverarbeitung der Daten. Ein Beispiel dafür ist die Verarbeitung der Bilddaten in industriellen Bildverarbeitungssystemen. Der Aufbau von zuverlässigen seriellen Schnittstellen erfordert viel spezielles Know-how, das nicht unbedingt im Repertoire eines Entwicklers von allgemeinen Elektronikprodukten vorhanden ist.
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