MicroTCA成為嵌入信號(hào)處理應(yīng)用過程及系統(tǒng)案例分析

MicroTCA正在成為嵌入信號(hào)處理應(yīng)用，尤其是高性能的多處理器系統(tǒng)中日益普及的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)采用了可滿足“運(yùn)營商級(jí)”電信設(shè)備需求的先進(jìn)中間卡（AdvancedMC），從而找到了進(jìn)入電信應(yīng)用的途徑，如無線基帶處理。

無線基帶處理是一種高需求的應(yīng)用，它需要高能效的解決方案。任何系統(tǒng)還必須柔性地適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)的要求，并適應(yīng)快速發(fā)展的各個(gè)電信標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了設(shè)計(jì)過程中的各種因素，包括處理器、互連和軟件平臺(tái)的選擇。

對(duì)于這種靈活、高性能的應(yīng)用，處理器的主要選擇是DSP和FPGA。過去，DSP 是標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，但FPGA供應(yīng)商已經(jīng)提高了自己的信號(hào)處理能力：今天的很多應(yīng)用得益于一種結(jié)合DSP和FPGA的混合式多處理器系統(tǒng)。一個(gè)高速互連能夠使一個(gè)子系統(tǒng)包含多個(gè)DSP（如3或4個(gè)）和一個(gè)FPGA，使設(shè)計(jì)者提供正確的性能組合，去滿足自己的系統(tǒng)要求。

當(dāng)硅片供應(yīng)商繼續(xù)增加自己的DSP和FPGA性能，并增加多個(gè)核心來提升馬力時(shí)，嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須確保自己的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)能跟上這個(gè)步伐。分布式應(yīng)用需要多種層次上的互連：一塊電路板上的芯片之間、一個(gè)背板上的電路板之間以及多個(gè)機(jī)架之間的互連。

一個(gè)具有2x2多輸入多輸出（MIMO）的20MHz WiMAX基帶系統(tǒng)要求大約1.5Gbps的天線數(shù)據(jù)速率。支持三扇區(qū)的典型基站要求超過4.5Gbps的聯(lián)合接口速率，它可以通過三個(gè)獨(dú)立的射頻頭連接或一個(gè)鏈?zhǔn)絾芜B接而得到支持?；陂_放標(biāo)準(zhǔn)的接口（如CPRI或OBSAI）可以用于數(shù)據(jù)的成幀。當(dāng)支持信道采用擴(kuò)頻技術(shù)編碼（如CDMA）的MIMO系統(tǒng)時(shí)，所有基帶處理塊都有來自所有天線的數(shù)據(jù)。

除了原始性能以外，設(shè)計(jì)者還必須考慮自己所選結(jié)構(gòu)的成本，包括初始投資費(fèi)用和運(yùn)營成本。他們還應(yīng)尋求標(biāo)準(zhǔn)接口，使自己的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)跨不同平臺(tái)的重用，包括現(xiàn)在與未來，并且能夠從支持標(biāo)準(zhǔn)的一系列供應(yīng)商中作出選擇。

無線基帶信號(hào)處理的互連

對(duì)于高性能信號(hào)處理應(yīng)用，現(xiàn)在一般考慮四種結(jié)構(gòu)：InfiniBand、PCI Express（PCIe）、以太網(wǎng)和Serial RapidIO（SRIO）。

InfiniBand開始有英特爾公司的強(qiáng)大支持，但該公司后來停止了自己的開發(fā)支持，轉(zhuǎn)向支持PCI Express。InfiniBand設(shè)計(jì)為一種交換式結(jié)構(gòu)互連，可以用于局域網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，但近來更多地定位在存儲(chǔ)應(yīng)用。雖然從技術(shù)方面它提供很好的特性，尤其是在管理方面，但它并未設(shè)法在嵌入應(yīng)用中立足，而且沒有供它使用的AdvancedMC規(guī)范。

PCIe是PCI的串行版，提供每通路（lane）最大2.5Gbps的數(shù)據(jù)速率，一般MicroTCA中每個(gè)AdvancedMC限制為四通路。PCIe特別適合作為一種快速低成本的外設(shè)、I/O與主處理器的連接方式。它還有良好的支持和不錯(cuò)的采用數(shù)量，有些DSP和FPGA供應(yīng)商把它作為一種原生接口。不過，在超過一定數(shù)量設(shè)備情況下，PCIe并不具有良好的縮放性，并且不適合多主處理器環(huán)境，如機(jī)架互連。

因此，PCIe一般用于與一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情況下，實(shí)際上是在以太網(wǎng)（千兆和10GigE）與SRIO之間作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇。

在很多應(yīng)用類型中，以太網(wǎng)都是一種常見的選擇。WiMax和LTE是以太網(wǎng)上的 IP技術(shù)。以太網(wǎng)用于基站回程網(wǎng)的傳輸正在引起注意。千兆以太網(wǎng)今天已發(fā)展出不同版本，得到廣泛使用，10GigE通過XAUI標(biāo)準(zhǔn)在 AdvancedMC中得到支持。自從以太網(wǎng)在廣域網(wǎng)中的早期應(yīng)用以來，它已變得無處不在。

千兆以太網(wǎng)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分組架構(gòu)，數(shù)據(jù)包大小可變。MicroTCA用其作為基本結(jié)構(gòu)，幾乎確保能得到控制平面上機(jī)架內(nèi)所有AdvancedMC的支持。現(xiàn)在沒有針對(duì)千兆以太網(wǎng)的通用服務(wù)質(zhì)量（QoS）標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的路由器與交換機(jī)提供一些QoS特性，使基本結(jié)構(gòu)也能用于低帶寬的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏敗?/p>

然而，對(duì)于大帶寬的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏?，從千兆以太網(wǎng)到10GigE的成本跳躍太大。以太網(wǎng)要求高CPU處理和分組協(xié)議開銷，意味著以太網(wǎng)不是一種高效的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。再加上以太網(wǎng)上傳輸?shù)母哐舆t與抖動(dòng)，設(shè)計(jì)者可能希望尋找其它的結(jié)構(gòu)。

SERIAL RapidIO

由于這些問題，SRIO正在多處理器系統(tǒng)中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先進(jìn)功能等特點(diǎn)。與PCI Express不同，SRIO可以有多個(gè)主處理器，并支持多播。它有較以太網(wǎng)更低的協(xié)議開銷，并有更好的流控機(jī)制，和更高的原始帶寬利用率。

SRIO最初開發(fā)用于處理器的互連，它同時(shí)適用于控制平面和數(shù)據(jù)平面的傳輸。它是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分組架構(gòu)，可以支持低開銷的任何拓?fù)?。它允許采用大小可變的分組數(shù)據(jù)包，和最大256字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。

除了大流量以外，SRIO還是一種高效率實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。它本身就支持QoS，而以太網(wǎng)需要附加的協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同操作。這使SRIO在某種數(shù)據(jù)帶寬下具有了成本與功耗優(yōu)勢(shì)。

過去幾年來，在DSP和信號(hào)處理市場(chǎng)上出現(xiàn)了從PCI Express到SRIO的明顯轉(zhuǎn)換。Crystal Cube Consulting公司預(yù)測(cè)，到2011年，帶SRIO功能的DSP將占總DSP市場(chǎng)的34%，在無線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用中這一趨勢(shì)尤為強(qiáng)勁。SRIO已在一些基帶處理的主要DSP上實(shí)現(xiàn)，并可以得到獨(dú)立的FPGA IP核心。

在支持多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，并采用擴(kuò)頻技術(shù)的無線基帶處理應(yīng)用如CDMA和OFDMA中，所有射頻天線的數(shù)據(jù)都必須送給所有基帶處理塊。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的關(guān)鍵就是支持多播的高效低延遲互連，而SRIO就非常合適。

一個(gè)刀片級(jí)子系統(tǒng)的解決方案可能同時(shí)包含DSP和FPGA，選擇兩者的結(jié)合以適應(yīng)特定應(yīng)用的要求。SRIO結(jié)構(gòu)可以用于射頻數(shù)據(jù)分配，并用于設(shè)備之間的一種低延遲直接內(nèi)存存?。―MA），包括在卡上和在卡外。將SRIO用于卡間和卡內(nèi)連接可以將各種部件結(jié)合在一起。

在無線基站中，SRIO可以用于將數(shù)字“芯片速率”數(shù)據(jù)從用戶天線轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的基帶處理卡上。每個(gè)基帶卡都帶有一個(gè)SRIO互連，一般都有一個(gè)支持SRIO的高性能DSP。然后，經(jīng)基帶卡處理的數(shù)據(jù)仍通過SRIO，送至回程接口。