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Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

2018年01月09日 16:53 次阅读

FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主,以硬件描述语言来实现;相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别,也造成了FPGA开发入门较难。

越来越多的应用场景都需要FPGA能够和外部存储器之间建立数据传输通道,如视频、图像处理等领域,并且对数据传输通道的带宽也提出了较大的需求,这就导致了FPGA和外部Memory接口的实际有效带宽成为了制约系统性能的瓶颈,所以Memoiy控制器的效能,则成为提升系统性能的关键要素。

存储器接口的底层架构

QuartusII 11.0及以后版本提供的Controller控制器均为High Performance ControllerII(HPC II),相对于早期提供的HPC,有了部分功能和性能上的升级和改进。CycloneII/IV使用的是ALTMEMPHY,而Cyclone V可以使用新的UniPHY架构。存储器接口的底层架构和外部接口如图1所示。

Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

图1 存储器接口的底层架构和外部接口图

从图1可见,整个存储接口是由三部分组成的,Controller单元、PHY单元及一些相关接口。其中主要的便是Controller单元、PHY单元。Controller单元主要负责控制初始化、刷新等Memory的命令操作,还能够完成访问地址和数据的组织排序,支持大带宽、较高的工作频率。另外,Controller单元还支持数据重排,能够降低访问冲突,增加系统工作的效率。PHY单元工作在Controller单元和外部Memory之间,主要负责完成物理层的数据路径及数据路径的时序处理。

Controller单元和PHY单元之间是通过Altera PHYInterface,即AFI接口进行连接的。与标准的DDR PHYInterface,即DFI接口相比,AFI接口更加适合基于ALTMEMPHY和UniPHY的开发。AFI接口可以被认为是DFI接口的子集,是对DFI接口进行了少量的简化和修改而来的。

MPFE的功能及底层架构

在视频和图像处理领域,FPCA需要频繁地访问Memory接口,完成数据的写入和渎出操作。Cyclone V的HMC能够支持多端口前端的并行访问,极大地方便了读写数据交互的操作。多端口前端,即MPFE(MulTI-port Front End),底层架构如图2所示。

Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

图2 MPFE底层架构图

MPFE可以使得FPGA的多个处理进程共享一个Memory的命令队列。这样不同的端口都可以访问Memory接口,完成对Memory的读写操作。MP FE都是基于Avalon总线的时序进行地址、命令和数据的交互的。在实际有效带宽一定的情况下,MPFE可以将带宽按照不同的需求分配到相应的端口。

如图2所示,MPFE是由6个命令FIFO,4个64bit位宽的读FIFO和4个64bit位宽的写FIFO组成,通过这些FIFO来完成命令和数据的交互。其中,读FIFO可以被配置为单向的读FIFO,写FIFO可以被配置为单向的写FIFO,也可以在一个Port里使用双向FIFO、此时该Port会调用1个读FIFO和1个写FIFO来完成。

如果前端的数据位宽比较大,也可以将FIFO拼接起来,组合为128bit或256bit位宽的FIFO,128bit位宽情况下,会调用2个读或写FIFO 256bit位宽情况下,会调用4个读或写FIFO。如果一个Port设置为256bit位宽,同时设置为双向FIFO.则该Port会消耗全部的读写FIFO,此时也就相当于将多端口前端作为单端口前端来使用了。

如果前端的数据位宽比较小,也可以将64bit位宽的FIFO设置为32bit位宽,此时仍会占用1个FIFO,高32bit的数据位宽则会闲置。

由此可见,MPFE在使用上十分灵活,能够适应不同的应用方式,满足FPGA内部不同逻辑模块对Memory的读写访问。

多端口前端的调度策略

MPFE本身相当于一个调度器,采用分时复用的方式,对来自不同端口的数据和命令进行调度。若干个端口之间的调度遵循两个条件,即端口的优先级(Priority)和权重(Weight)。优先级参数和权重参数是可以指定的,如图3所示,在IP例化时的Controller SetTIngs界面中,手动填写端口的这两个参数值。

优先级参数可以在1~7之间任意指定,优先级参数值越大,代表该端口的优先级越高。高优先级的端口相对于低优先级的端口会被优先调度。优先级是一个绝对的参数,如果一个端口的优先级设置为7,则这个端口享有最高优先级,它在任何情况下都会被优先调度,这样另外的优先级为6或更低优先级的端口必须等待优先级为7的端口工作完成之后才会被调度。

如果两个端门的优先级一样,那么相对的优先级会取决于端口的权重参数。权重参数可以在0~31之间设置。为了避免高优先级的某个端口长时间占用接口总线的带宽,引入了加权循环调度算法(Weighted Round Robin,WRR),WRR算法仍然会优先处理高优先级的端口,但是低优先级的端口也不会出现不被调度的情况。WRR是根据端口权重与所有排队等待调度的端口的权重总和的比来平等地分配带宽。因此,在处理多个端口的高优先等级的业务时,可以确保每个端口都不会过度地占用接口的总线带宽。

Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

图3 指定端口的优先级和权重

在端口的优先级参数都一样的情况下,权重参数能够决定端口间相对的带宽分配,如图3所示,端口0和端口1的优先级均为1,权重参数值分別为4和6,则端口0和端口1分別会占用大致40%和60%的Memory接口总带宽。

HMC的ModelSim功能仿真

仿真过程不仅能够观察到HMC内部工作的时序,还能够大致测箅出HMC工作时的有效带宽。在系统设计开始阶段,可以用于评估Memory接口实际有效带宽是否满足设计需求。如图4和图5所示。

Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

图4 HMC的ModelSim仿真图

Cyclone V FPGA在高带宽存储接口中的应用

图5 HMC的ModelSim仿真图

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3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 647次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 565次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

莱迪思半导体公司布推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant™,适用于需要开发低功...

发表于 2018-03-12 15:52 161次阅读
莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 967次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 608次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 3046次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

一个电子工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 697次阅读
一个电子工程师的硬件初学之路分享

type-c是什么接口?type-c和普通接口有...

本文开始阐述了type-c是什么接口以及Type-C的特点,其次说明了Type-C外观特点及主要功能...

发表于 2018-03-09 16:43 725次阅读
type-c是什么接口?type-c和普通接口有...

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 696次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

交换机接口不匹配问题总结

由于局域网中的任意两台工作站相互访问时,网络连接速度都很缓慢,根据这一现象,笔者估计局域网网络中可能...

发表于 2018-03-06 11:49 706次阅读
交换机接口不匹配问题总结

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...

发表于 2018-03-05 10:34 601次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...

发表于 2018-03-04 15:28 1267次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...

发表于 2018-03-04 09:25 93次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...

发表于 2018-03-02 14:55 321次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

SFP-DD MSA发布1.1版高速高密度接口规...

小形状系数可插拔双密度 (SFP-DD) 多源协议 (MSA) 集团非常高兴的宣布发布 SFP-DD...

发表于 2018-02-28 16:54 6550次阅读
SFP-DD MSA发布1.1版高速高密度接口规...

基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

由于超级电容器单体性能参数的离散性,当多个单体串联组成电容器组时,在充放电过程中容易造成过充或过放现...

发表于 2018-02-28 08:40 428次阅读
基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...

发表于 2018-02-27 11:55 493次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...

发表于 2018-02-27 11:01 4986次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 249次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 971次阅读
如何经济的设计一个新的芯片