MicroTCA正在成为嵌入信号处理应用,尤其是高性能的多处理器系统中日益普及的标准。这些标准采用了可满足“运营商级”电信设备需求的先进中间卡(AdvancedMC),从而找到了进入电信应用的途径,如无线基带处理。
无线基带处理是一种高需求的应用,它需要高能效的解决方案。任何系统还必须柔性地适应多种标准的要求,并适应快速发展的各个电信标准。本文讨论了设计过程中的各种因素,包括处理器、互连和软件平台的选择。
对于这种灵活、高性能的应用,处理器的主要选择是DSP和FPGA。过去,DSP 是标准的解决方案,但FPGA供应商已经提高了自己的信号处理能力:今天的很多应用得益于一种结合DSP和FPGA的混合式多处理器系统。一个高速互连能够使一个子系统包含多个DSP(如3或4个)和一个FPGA,使设计者提供正确的性能组合,去满足自己的系统要求。
当硅片供应商继续增加自己的DSP和FPGA性能,并增加多个核心来提升马力时,嵌入系统设计者必须确保自己的数据交换架构能跟上这个步伐。分布式应用需要多种层次上的互连:一块电路板上的芯片之间、一个背板上的电路板之间以及多个机架之间的互连。
一个具有2x2多输入多输出(MIMO)的20MHz WiMAX基带系统要求大约1.5Gbps的天线数据速率。支持三扇区的典型基站要求超过4.5Gbps的联合接口速率,它可以通过三个独立的射频头连接或一个链式单连接而得到支持。基于开放标准的接口(如CPRI或OBSAI)可以用于数据的成帧。当支持信道采用扩频技术编码(如CDMA)的MIMO系统时,所有基带处理块都有来自所有天线的数据。
除了原始性能以外,设计者还必须考虑自己所选结构的成本,包括初始投资费用和运营成本。他们还应寻求标准接口,使自己的设计能够实现跨不同平台的重用,包括现在与未来,并且能够从支持标准的一系列供应商中作出选择。
无线基带信号处理的互连
对于高性能信号处理应用,现在一般考虑四种结构:InfiniBand、PCI Express(PCIe)、以太网和Serial RapidIO(SRIO)。
InfiniBand开始有英特尔公司的强大支持,但该公司后来停止了自己的开发支持,转向支持PCI Express。InfiniBand设计为一种交换式结构互连,可以用于局域网和企业网,但近来更多地定位在存储应用。虽然从技术方面它提供很好的特性,尤其是在管理方面,但它并未设法在嵌入应用中立足,而且没有供它使用的AdvancedMC规范。
PCIe是PCI的串行版,提供每通路(lane)最大2.5Gbps的数据速率,一般MicroTCA中每个AdvancedMC限制为四通路。PCIe特别适合作为一种快速低成本的外设、I/O与主处理器的连接方式。它还有良好的支持和不错的采用数量,有些DSP和FPGA供应商把它作为一种原生接口。不过,在超过一定数量设备情况下,PCIe并不具有良好的缩放性,并且不适合多主处理器环境,如机架互连。
因此,PCIe一般用于与一个独立数据结构相关的点对点连接,反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情况下,实际上是在以太网(千兆和10GigE)与SRIO之间作数据结构的选择。
在很多应用类型中,以太网都是一种常见的选择。WiMax和LTE是以太网上的 IP技术。以太网用于基站回程网的传输正在引起注意。千兆以太网今天已发展出不同版本,得到广泛使用,10GigE通过XAUI标准在 AdvancedMC中得到支持。自从以太网在广域网中的早期应用以来,它已变得无处不在。
千兆以太网提供点对点的分组架构,数据包大小可变。MicroTCA用其作为基本结构,几乎确保能得到控制平面上机架内所有AdvancedMC的支持。现在没有针对千兆以太网的通用服务质量(QoS)标准,越来越多的路由器与交换机提供一些QoS特性,使基本结构也能用于低带宽的数据平面传输。
然而,对于大带宽的数据平面传输,从千兆以太网到10GigE的成本跳跃太大。以太网要求高CPU处理和分组协议开销,意味着以太网不是一种高效的实现标准。再加上以太网上传输的高延迟与抖动,设计者可能希望寻找其它的结构。
SERIAL RapidIO
由于这些问题,SRIO正在多处理器系统中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先进功能等特点。与PCI Express不同,SRIO可以有多个主处理器,并支持多播。它有较以太网更低的协议开销,并有更好的流控机制,和更高的原始带宽利用率。
SRIO最初开发用于处理器的互连,它同时适用于控制平面和数据平面的传输。它是一种点对点的分组架构,可以支持低开销的任何拓扑。它允许采用大小可变的分组数据包,和最大256字节的协议数据单元(PDU)。
除了大流量以外,SRIO还是一种高效率实现的技术。它本身就支持QoS,而以太网需要附加的协议层和网络协同操作。这使SRIO在某种数据带宽下具有了成本与功耗优势。
过去几年来,在DSP和信号处理市场上出现了从PCI Express到SRIO的明显转换。Crystal Cube Consulting公司预测,到2011年,带SRIO功能的DSP将占总DSP市场的34%,在无线基础架构应用中这一趋势尤为强劲。SRIO已在一些基带处理的主要DSP上实现,并可以得到独立的FPGA IP核心。
在支持多输入多输出(MIMO)系统,并采用扩频技术的无线基带处理应用如CDMA和OFDMA中,所有射频天线的数据都必须送给所有基带处理块。此时,实现优异性能的关键就是支持多播的高效低延迟互连,而SRIO就非常合适。
一个刀片级子系统的解决方案可能同时包含DSP和FPGA,选择两者的结合以适应特定应用的要求。SRIO结构可以用于射频数据分配,并用于设备之间的一种低延迟直接内存存取(DMA),包括在卡上和在卡外。将SRIO用于卡间和卡内连接可以将各种部件结合在一起。
在无线基站中,SRIO可以用于将数字“芯片速率”数据从用户天线转移到系统中的基带处理卡上。每个基带卡都带有一个SRIO互连,一般都有一个支持SRIO的高性能DSP。然后,经基带卡处理的数据仍通过SRIO,送至回程接口。