FPGAs für Framegrabber Applikationen
Viele verschiedene Schnittstellen? Kein Problem!
Titanium-FPGAs von Efinix ermöglichen kompakte, energieeffiziente Kamerasysteme und blitzschnelle Datenverarbeitung – von CoaXpress bis PCIe Gen4. Dank flexibler Schnittstellen, integriertem Speicher und geringem Strombedarf meistern sie selbst komplexe Framegrabber-Setups.
Kamerasysteme werden heute oft mit FPGAs entwickelt, da diese sehr flexibel in den Schnittstellen sind und hohe Datenraten parallel verarbeiten können. Diese FPGAs gibt es außerdem in sehr kleinen Gehäusen, mit geringer Verlustleistung, was Bedingungen sind, um in kleinen Kamerasystemen eingesetzt zu werden.
Als Beispiele hierfür gelten die FPGA-Familien von Efinix, die FPGAs in sehr kleinen Gehäusen (3,4 mm x 3,5 mm), aber auch komplette Systeme (System in Package, kurz SiPs) in kleinen platzsparenden Gehäusen umfasst. Bei SiPs werden das FPGA und der Speicher in ein Gehäuse integriert. Der Ti180J484D1 ist ein Beispiel für solch ein SiP, er besteht aus einem FPGA mit 180K LE (Logikelementen) und einem LPDDR4X-Speicher mit 2Gb, auf den man mit 16 Leitungen und 3Gbps zugreifen kann. Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile: Der Platzbedarf im Vergleich zu einer diskreten Lösung (FPGA und Speicherbausteine sind getrennt) sinkt, der Entwickler kann sich das mühsame Layout für eine LPDDR4X Anbindung sparen und oft fallen auch zusätzliche Lagen auf der Leiterplatte weg.
Möchte ein Entwickler die Informationen verschiedener Kameras zusammenfassen und die Daten einem PC übergeben, wird es schwierig, wenn die Kameras unterschiedliche Schnittstellen unterstützen als der PC. Dabei muss beachtet werden, dass die Kamera-Schnittstellen oft vom Einsatzgebiet abhängen. Denn je nachdem ob die die Daten über lange Strecken transportiert werden müssen, oder die Kamera in einem Fahrzeug sitzt oder für medizinische Zwecke benutzt wird, in allen drei Fällen werden unterschiedliche Schnittstellen verwendet. Neben den Ethernet-Schnittstellen sind oft auch USB, CoaXpress, SDI, FPD III Link, GMSL, CameraLink oder auch HDMI bzw. DisplayPort bei Kameras oder anderen Videogeräten im Einsatz. Sollen also Bildinformationen von mehreren Systemen zusammengefasst oder kombiniert werden, wird in den Kameras/Videogeräten die Trigger/Zeitinformation den Bildern hinzugefügt. Diese Information kann der Framegrabber benutzen, um die verschiedenen Informationen zusammenzufassen und dem Prozessorsystem zur Verfügung zu stellen. Die Verbindung zum Prozessorsystem basiert wiederum häufig auf PCI-Express. Welche Geschwindigkeit und wie breit die PCI-Express Schnittstelle sein muss, hängt von der Anzahl und den Geschwindigkeiten der Eingänge ab. Beträgt die Datenrate der Eingangsschnittstellen 40Mbps (4 x 10Mbps), dann sollte diese Datenrate auch beim Transport zum Prozessorsystem ähnlich hoch sein. Für so eine Datenrate kann PCI-Express Gen3 x 8 (8Gbps x 8) oder PCI-Express Gen4 x 4 (16Gbps x 4) zum Einsatz kommen. Wenn PCI-Express Gen4 zur Verfügung steht, ist dieser Standard zu bevorzugen, da hierbei bei gleichem Datendurchsatz nur vier SERDES-Kanäle benötigt werden. Dies wiederum bringt Vorteile in Hinblick auf die Verlustleistung des FPGAs, da acht SERDES-Kanäle mit 8 Gbps mehr Verlustleistung erzeugen als vier SERDES-Kanäle mit 16 Gbps. Darüber hinaus sind mehr Prozessoren mit vier als mit acht SERDES-Kanälen ausgestattet, so dass mit vier SERDES-Kanälen auch die mögliche Auswahl bei den Prozessoren höher ausfällt.
Jobangebote+ passend zum Thema
ein DMA-Controller zur Verfügung stehen, der es ermöglicht, die Daten ohne großen Prozessoreinsatz in das Speichersystem des Prozessors zu transferieren.
Ein Framegrabber muss hohe Datenraten übertragen, was eine besondere Anforderung an die Verlustleistung des FPGAs stellt. Im Gegensatz zu den Kameras, sind in diese Fall die Gehäusegrößen nur zweitranging. Hier geht es vor allem um einen hohen Datendurchsatz bei geringer Verlustleistung und bei sehr geringer Latenzzeit, so dass die Daten nahezu in Echtzeit im Prozessorsystem verarbeitet werden können.
Efinix Titanium FPGAs eignen sich hervorragend für Framegrabber
Die Efinix Titanium FPGAs unterstützen schnelle Schnittstellen mit ihren 16-Gbps-Transceivern. Dank des integrierten PCI-Express-Controllers ist es möglich, diese FPGAs mit PCI-Express Gen4 x 4 zu betreiben. Ein DMA-Controller aus dem IP-Katalog hilft, die Daten schnell und mit geringer Latenz dem Prozessorsystem zur Verfügung zu stellen. Müssen die Daten zwischengespeichert werden, kann dafür der eingebaute LPDDR4X-Speicher-Controller verwendet werden. Dieser unterstützt Speicheranbindungen bis 32 Bit bei einer Geschwindigkeit über 3 Gbps, abhängig vom Gehäuse. Dabei sollte der Entwickler aber beachten, dass dieser Speicher nur dann benutzt werden sollte, wenn es notwendig ist, da sich damit die Latenzzeit erhöht.
Als Eingangsschnittstellen können die Titanium-FPGAs CoaXpress über die Direkt-PMA-Schnittstelle bereitstellen. Über einen ähnlichen Ansatz werden auch SDI für professionelle Kameras sowie HDMI oder DisplayPort unterstützt. FPD III und GSML-Schnittstellen werden typischerweise über Konvertierungsbausteine angebunden, die diese Schnittstellenformate in MIPI-CSI umwandeln. Die Titanium-FPGAs können MIPI-CSI mit bis zu 4 x 2,5 Gbps unterstützen.
Die CameraLink-Schnittstelle ist ein typische 7:1-Schnittstelle, die mit den Standard-HSIOs der Titanium Familie bis 1.5Gbps unterstützt wird.
Ethernet-Schnittstellen werden in den Titanium FPGAs bis zum PCS-Layer (Physical Coding Sub Layer) direkt unterstützt, der MAC wird von Efinix über den IP-Katalog zur Verfügung gestellt. Titanium-FPGAs ermöglichen 100/1000/2,5G/5G/10G-Ethernet mit den MACs.
Die IP-Cores für CoaXpress, SDI, HDMI, DP können über die Partner von Efinix bezogen werden, die diese Schnittstellen schon mit den Titanium-FPGAs getestet haben.
Wie bereits erwähnt, ist die Verlustleistung des FPGAs, speziell bei schnellen Schnittstellen, kritisch zu bewerten. Benutzt der Entwickler den Power-Estimator der Titanium Familie und füttert diese mit den notwendigen Daten, kann er sehr schnell die zu erwartende Verlustleistung berechnen.
Ein Beispiel:
110k XLR-Zellen, 90k Register; 3Mb Block-RAM, ein PLL für 250 MHz und 125 MHz, eine PCI-Express-Schnittstelle Gen4 x 4; ein Speicher-Controller für LPDDR4X x 32 Bit; vier CoaXpress CxP12 bei einer durchschnittlichen Systemfrequenz von 250 MHz.
Mit diesen Werten ergibt sich eine typische Verlustleistung von 3,6 W mit einem Ti135 Baustein, der diesen Anforderungen genügt.
Wird statt CoaXpress HDMI als Eingangsschnittstelle genutzt, dann ist der Ti260/375 das richtige FPGA, da dieser Baustein mehr SERDES-Kanäle zur Verfügung stellt. Ein weiteres Beispiel: Gefordert sind zwei DisplayPort Schnittstellen DP 8.1 mit vier Leitungen und ein gewisses Maß an Bildverarbeitung. Dann sollten die XLR-Zellen von 110K auf 200K und die Register von 90K auf 150K erhöht werden. Für jede DisplayPort-Schnittstelle wird ein QUAD (ein Block mit 4 SERDES-Leitungen) reserviert mit fünf Leitungen zu je 8.1Gbps.
Bei diesen Anforderungen liegt die Verlustleistung typischerweise bei 4,8 W.
Evaluation Board
Das Ti375N1156C-DK ist ein sehr guter Startpunkt, um seine ersten Gehversuche für solche Systeme zu starten. Diese Evaluation-System bietet dem Entwickler eine PCI-Express Schnittstelle Gen4 x 4 und zwei FMC-Stecker auf der der Entwickler Adapterkarten anstecken kann, die die Schnittstelle beinhaltet, die der Entwickler braucht. Jeder der FMC-Stecker wird mit einem SERDES-QUAD angesteuert, sodass der Entwickler sehr einfach diese schnellen Schnittstellen realisieren kann.
In vielen Fällen sind solche Adapterkarten auch beim IP-Lieferanten erhältlich. Will ein Entwickler beispielsweise Ethernet-Schnittstellen implementieren, steht ihm mithilfe eines SFP-Moduls ein SFP+-Steckverbinder zur Verfügung. Um die Daten zwischenzuspeichern, sind entsprechend LPDDR4X-Speicher eingebunden. Verschiedene Referenz-Designs helfen schnell die benötigten Schnittstellen zu realisieren.
Software
Um die Schaltung in ein Efinix-FPGA zu implementieren, kann der Entwickler auf Efinity Software zurückgreifen, die kostenlos vom Web heruntergeladen werden kann. Dabei handelt es sich um ein ca. 1 GB große Datei, die 3 GB auf der Festplatte benötigt. Auch wenn der Entwickler mit dem Ti375 arbeiten möchte, genügt der Software ein 12 GB großer Speicher. Eines ist klar: Der Entwickler wird von der Durchlaufzeit positiv überrascht sein. Alle IP-Cores im IP-Katalog gehören zur Software und stehen somit auch kostenlos zur Verfügung. Die Software unterstützt x86 Systeme mit Windows und Linux (Ubuntu >=20.04 Red Hat Enterprise >=V8.8). Zur schnellen Einarbeitung stehen verschiedene Trainings-Videos zur Verfügung, die einen schnellen Überblick über den Efinity Software-Flow geben.
Zusammenfassung
Die Titanium-FPGAs von Efinix bieten eine sehr gute Plattform nicht nur für Kameraanwendungen, sondern auch für die entsprechenden Framegrabber. Alle Schnittstellen, die benötigt werden, können realisiert werden. Die Anforderung an geringe Verlustleistung und hohe Geschwindigkeit werden von den Titanium-FPGAs natürlich auch erfüllt. Darüber hinaus steht dem Anwender ein gewachsenes ECO-System zur Verfügung, so dass er sein Design schnell und effizient realisieren kann.
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Efinix
Titanium-Produktlinie verdoppelt
Wieder unabhängig
Silver Lake schließt Investition in Altera ab
Microchip Technology
Leistungsfähige FPGAs mit 30 % geringeren Kosten
