מאת: דרור ספרדי, זיילינקס
בימים אלה אנו עדים לאימוץ רחב היקף של פרוטוקול ה-PCI Express בתעשיית המערכות המשובצות (Embedded). בתחילה אמנם פותח הפרוטוקול כדי לספק את הדור הבא של ארכיטקטורת התחברות פנימית עבור יישומי מיחשוב אישי, אבל יתרונותיו המרובים הכו גלים גם בתעשיית המערכות המשובצות.
בעוד שתעשיית ה PC-נשלטת על-ידי ארכיטקטורה יחידה, ענף הEmbedded Processor- תומך במספר רב של פלטפורמות חלופיות, אך חלוקה זו בשוק הולכת ופוחתת, בין השאר גם בזכות השימוש בממשקים משותפים כגון PCI Express. פרוטוקול זה עתיר הביצועים מאפשר יצירת פלטפורמות חומרה עם ממשקים משותפים בשיטת “חבר והפעל”
(plug and play) בין התקנים פריפריאליים.
נוכחותו המרובה של פרוטוקול ה-PCI Express במספר רב של אפליקציות מתרחבת גם
לעולם ה-FPGA, שהוא co-processor רב תכליתי. יכולת ה-FPGA לספק חומרה מותאמת לגישור בין פרוטוקולים, האצה דרך מימוש חומרתי והיכולת לממש מערכות משובצות מחשב (Embedded Processor), הופכת אותו לטכנולוגיה המשלימה האידיאלית עבור פלטפורמות עיבוד רב-תכליתיות.
פיתוח תקשורת טורית המבוססת חבילות מידע(Packets) החלה מדרישת מגזר הטלקומוניקציה ליצור חיבוריות רחבת פס הפועלת על-פני מרחקים גדולים. ה-BUS-ים הטוריים הללו התפתחו במהרה ושולבו גם בתקשורת קצרת טווח בין ציודים קרובים, וכמו כן בין רכיבים על לוחות או בין לוחות. הממשק הטורי העניק פתרון אמין ויציב אל מול ממשקים מקבילים ולכן לא לקח הרבה זמן עד שהם שולבו גם בתוך FPGAs מתקדמים הנמצאים בשימוש נרחב בענף התקשורת, עוד מתקופת משפחת Virtex-II Pro של Xilinx.
התפתחותו של ה-I/O הטורי הצליחה להתגבר על התפיסה הרווחת לפיה מדובר בטכנולוגיה מורכבת המתאימה רק למערכות מתקדמות ביותר (high-end systems). בתחילה הייתה מגמה זו מוצדקת, אך כיום רוב המערכות מציגות דרישות לביצועים תובעות התקשרות טורית, מה שגרם ליצרניות ה-FPGA לשלב ממשקים טוריים
ב-Low cost FPGAs.
הממשק הטורי החדש ביותר – ויתכן המוביל ביותר – הוא ה-PCI Express. המפרט של גרסה 1.1 בממשק טורי point-to-point זה הוא ,2.5Gbpsכאשר גרסה 2.0 מציעה 5Gbps וגרסה 3.0 8Gbps. תקן זה מאפשר גם תקשורת רב ממשקית (multi-lane). רוחב הפס הגבוה ותצורת ממשק זה הפכו אותו לבחירה יעילה בתקשורת בין שבב לשבב. כאשר משלבים אותו ברמת הסיליקון, הוא נהיה רלוונטי במיוחד עבור תקשורת בין מעבד
ל-FPGA. כיום ניתן למצוא סוג חדש של Low cost FPGAs הכולליםPCI Express עם ממשק טורי ומאפשרים מימוש יעיל ואפקטיבי בין ממשק טורי להתקנים דלי הספק המיועדים לאפליקציות Embedded.
השימוש ב-PCI Express מאפשר זרימת מידע חלקה ו”נטולת תפר” (seamless) של נתונים בין רשתות ארגוניות לבין מערכות אוטומציה תעשייתיות. רמה כזו של חיבוריות מאפשרת ל-Low cost FPGAs ליישם את הפרוטוקולים החדשים של תקשורת תעשייתית בזמן אמת.
יתרון מרכזי של רכיבי FPGA הינו היכולת שלהם לשלב Hard-Cores, כגון ממשקים טוריים (serial transceivers), עם לוגיקה מתכנתת הנחוצה כדי ליישם את השכבה הפיסית (physical layer), שכבת ה-Data ושכבת ה-Transaction. עד לעת האחרונה ניתן היה למצוא את ממשקים טוריים מהירים מאוד רק ב-FPGAs המתקדמים והיקרים ביותר, אך המשמעות להתפתחות טכנולוגית היא שהיום כבר כלכלי לשלב ממשקים טוריים אלו
ב-Low cost FPGAs. אפשרות זו, בשילוב עם הגמישות של טכנולוגיית ה-FGPA, פותחת עולם חדש של אפשרויות, בין התקנים פריפריאליים ומנועים חומרתיים עתירי ביצועים להפחתת עומסים, שניתנים לשילוב דרך ממשק ה-PCI Express ל-host processor .
לדוגמה, משפחת Spartan-6 LXT ה-Low cost מבית Xilinx מציעה התממשקות עם PCI Express המשולב חומרתית בתוך ה-FPGA, ומסוגל לספק פונקציות רבות-עוצמה של
co-processor כמו האצה חומרתית עבור פונקציות עתירות מיחשוב. מימוש של PCI Express כ- Hard IPמשחרר כ-7000 Logic Cells שלולא כן היו נחוצים למימוש באמצעות משאבים הלוגים של ה-FPGA ובכך לצימצום כמות הלוגיקה הזמינה למתכנן.
ע”י מימוש PCI Express endpoint כ-Hard IP טכנולוגית ההתממשקות הטורית נעשית כדאית יותר ליישום ומרחיב את היכולת שלה להגיע גם להתקני ה-FPGA הזולים ביותר.
