多通路fpga 通信_使用带有片上高速网络的FPGA的八大好处（第一部分）

引言 自从几十年前首次推出FPGA以来，每种新架构都继续在采用按位(bit-wise)的布线结构。虽然这种方法一直是成功的，但是随着高速通信标准的兴起，总是要求不断增加片上总线位宽，以支持这些新的数据速率。这种限制的一个后果是，设计人员经常花费大量的开发时间来尝试实现时序收敛，牺牲性能来为他们的设计布局布线。

传统的FPGA布线基于整个FPGA中水平和垂直方向上运行的多个独立分段互连线(segment)，在水平和垂直布线的交叉点处带有开关盒(switchbox)以实现通路的连接。通过这些独立段和开关盒可以在FPGA上构建从任何源到任何目的地的通路。FPGA布线的这种统一结构为实现任何逻辑功能提供了极大的灵活性，可用于FPGA逻辑阵列内的任何数据路径位宽。

尽管在FPGA中的按位来布线非常灵活，但其缺点是每个段都会给任何给定的信号通路增加延迟。需要在FPGA中进行长距离传输的信号会导致分段之间的连接延迟，从而降低了功能的性能。按位布线的另一个挑战是拥塞，它要求信号路径绕过拥塞，这会导致更多的延迟，并造成性能的进一步降低。

Achronix将此挑战视为一个开发全新架构的机会，以消除传统FPGA的设计挑战并提高系统性能。Achronix的解决方案是在传统分段式FPGA布线结构的之上，再为其全新的Speedster7t FPGA系列器件创建一个革命性的二维(2D)高速片上网络(NoC)。Speedster7t NoC连接到所有片上高速接口：400G以太网、PCIeGen5、GDDR6和DDR4/ 5的多个端口。

NoC的内部由一组行和列组成，它们在整个FPGA逻辑阵列中将网络数据流量从水平和垂直方向上进行分发。主NoC接入(NAP)点和从NoC接入点位于NoC的每一行和每一列交叉的位置。这些NAP可以是NoC和可编程逻辑阵列之间的源或目的地。

图1：Speedster7t的片上网络(NoC)和接口 (Ethernet：以太网；Security：安全性；Configuration：配置；eachdirection：每个方向) Speedster7t 的 NoC 似乎只对 FPGA 内部的布线总线有所帮助；但是，这种新型架构可以显着提高设计人员的工作效率，实现全新的设计功能，并提供了轻松实现密集型数据处理应用的能力。下面列举了在效率提高、设计变更和性能提升方面最显著的八种应用场景。 在整个FPGA的逻辑阵列中简化高速数据分发 在传统的各种FPGA架构中，对连接到FPGA的片外存储器以及与之相连的外部高速数据源进行双向的读/写操作，需要数据在FPGA逻辑架构中经过一条较长且分段的路由路径。这种制约不仅限制了带宽，而且还会消耗在逻辑阵列中的用户设计所需的布线资源，这给FPGA设计人员在时序收敛方面带来了挑战，尤其是其他逻辑功能对器件利用率提高的时候。

使用Speedster7t的NoC将数据从外部源传输到FPGA和存储器，比使用传统的FPGA架构完成同样的工作要容易得多。Speedster7t NoC增强了FPGA阵列中传统的可编程互连，其中的NoC就像一个叠加在城市街道系统上的高速公路网络。虽然Speedster7t FPGA中传统的、可编程互连矩阵仍然适用于较慢的本地数据流量，但NoC可以处理更具挑战性的、高速的数据流。

NoC中的每一行或每一列都被实现为两个256位的、以2Ghz固定时钟速率运行的单向数据通道。行具有东/西通道，列具有北/南通道，从而允许每个NoC行或列可以同时处理每个方向上512Gbps的数据流量。总而言之，这些通道可以通过编写简单的Verilog或VHDL代码，在FPGA阵列中传输大量的数据，这些代码支持FPGA与NAP通信并连接到NoC高速公路网络上。

下图显示了NoC中各个点之间的数据传输。点1和点2的逻辑分别实例化了一个水平NAP。NAP可以发送和接收数据，但是每个单独的数据流都只是朝向一个方向。类似地，点3和点4的逻辑实例化了一个垂直NAP，并且可以在彼此之间发送数据流。

图2：NoC上跨越器件逻辑阵列的数据流

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