RAPTOR. Modular Rapid Prototyping

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1 RAPTOR Modular Rapid Prototyping Die modularen FPGA-basierten Rapid- Prototyping-Systeme der RAPTOR-Familie verfügen über alle wichtigen Komponenten, um Schaltungs- und Systementwürfe mit einer Komplexität von bis zu 200 Millionen Transistoren zu realisieren. Die Beschleunigung rechenzeitintensiver Anwendungen wird ebenso unterstützt, wie die partielle Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs.

2 Die RAPTOR-Famile Modulares Rapid Prototyping Konzept Die modularen FPGA-basierten Rapid- Prototyping-Systeme der RAPTOR-Familie verfügen über alle wichtigen Komponenten, um Schaltungs- und Systementwürfe mit einer Komplexität von bis zu 200 Millionen Transistoren zu realisieren. Die Beschleunigung rechenzeitintensiver Anwendungen wird ebenso unterstützt, wie die partielle Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs Die RAPTOR-Systeme sind als modulare Prototyping-Umgebung konzipiert. Die Basissysteme stellen Kommunikations- und Managementfunktionen bereit, die von einer Vielzahl unterschiedlicher Erweiterungskarten genutzt werden. Die Erweiterungskarten stellen ihrerseits die von der Anwendung benötigte Funktionalität in Form von FPGA-, Kommunikations- oder Ein-Ausgabe-Modulen zur Verfügung. Die modulare Bauweise des Systems ermöglicht es dem Anwender, durch den Einsatz neuer Module schnell und kostengünstig neue FPGA-Technologien oder Schnittstellen in das System zu integrieren. Mit dem integrierten Lokalbus und dem Broadcastbus steht eine leistungsfähige Infrastruktur zur Verfügung, die eine schnelle Kommunikation der Module untereinander sowie zum Hostsystem garantiert. Der Einsatz von Xilinx Virtex-4 und Virtex- FPGAs ermöglicht zudem die Kopplung über serielle High-Speed-Verbindungen. Zur einfachen Anbindung des Systems an einen Host-Rechner verfügen alle Basisplatinen über PCI-Bus-Schnittstellen. Abhängig von der geforderten Leistungsklasse kann zwischen PCI, PCI-X und PCIe gewählt werden. Integrierte USB-2.0 Schnittstellen ermöglichen den Betrieb unabhängig vom Host-Rechner. Die RAPTOR-Systeme können modular mit einer Vielzahl unterschiedlicher Module erweitert werden 2

3 RAPTOR2000 Skalierbarkeit durch den Einsatz neuer Module RAPTOR2000 stellt die Basisfunktionen für die prototypische Realisierung mikroelektronischer Schaltungen zur Verfügung. Sechs unabhängige Modulsteckplätze, die jeweils über 46 Signalleitungen mit der Basisplatine verbunden sind, können variabel bestückt werden. Jedes Modul wird in einem systeminternen Multi-Master-Bussystem (Lokalbus) als eigenständiger Teilnehmer verwaltet. Über diese Schnittstelle findet sowohl die Kommunikation zwischen den Modulen als auch die Kommunikation mit dem Host-Rechner statt. Ein Broadcast-Bus ermöglicht die gleichzeitige Übertragung von Daten an mehrere Module. Zusätzlich bietet jeder Modulsteckplatz frei konfigurierbare Signalverbindungen zu den benachbarten Modulen, über die die Module untereinander mit einer Bandbreite von mehr als 10 GBit/s kommunizieren können. Einsatzgebiete SoC Prototyping Hardware/Software-Co-Verifikation FPGA-Computing Dynamische Rekonfiguration Modulsteckplätze 6 Modulsteckplätze 46 Signalleitungen zum Trägersystem 32 Bit Lokalbus-Zugang (1,6 GBit/s) Bit Broadcast-Bus-Zugang (4,3 GBit/s) Je Direktverbindungen zum linken und rechten Nachbarmodul (10 GBit/s) Stabilisierte Spannungsversorgungen (V; 3,3V; 2,V; 1,8V) FPGA-Konfiguration Hardwareimplementierung des SelectMAP- Konfigurations-Mechanismus (Re-)Konfigurationsdatenrate: 0 MByte/s Konfigurationsdaten können sich innerhalb oder außerhalb des RAPTOR2000-Systems befinden Beliebiger interner oder externer Master kann Rekonfigurationsprozess anstoßen (Auch Selbstrekonfiguration) Partielle, dynamische und vollständige Rekonfiguration PCI-Bus-Anbindung 32 Bit PCI-Bus-Schnittstelle mit PLX PCI904 Enge Kopplung von PCI-Bus und systeminternem Multi-Master-Lokalbus Umfangreiche FIFO-Speicher zur Entkopplung der Datentransfers Master-, Slave- und DMA-Transfers 2 programmierbare DMA-Kanäle Interrupt-Verarbeitung 64 kbyte Dual-Port SRAM-Speicher auf der Basisplatine direkt adressierbar Kontroll-Logik 2 Xilinx XC9288 CPLDs Lokalbus Arbiter (14 Master) Lokalbus Adressdekodierung (16 Slaves) Programmierbarer Systemtakt-Generator Diagnoseeinheit RAPTOR2000 Basisplatine bestückt mit drei Erweiterungsmodulen PCI-Bus (32Bit Daten / 32Bit Adressen) PCI-Bus- Bridge Master, Slave, DMA Dual-Port SRAM -Logik Arbiter, MMU Diagnose, CLK Modul 6 Config.- Manager, SelectMAP Flash ROM Local-Bus (32Bit Daten / 32Bit Adressen) Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 CFG CFG Broadcast-Bus CFG Schematischer Aufbau der RAPTOR2000 Basisplatine 3

4 RAPTOR-X64 RaptorX64 Rapid Prototyping von SoCs und eingebetteten Systemen Die RAPTOR-X64 Basisplatine führt das erfolgreiche Konzept von RAPTOR2000 konsequent fort und erweitert die Funktionalität um weitere Schnittstellen und Management-Funktionalitäten. Zudem wurden alle integrierten Kommunikationsschnittstellen optimiert, um die verfügbaren Bandbreiten zwischen den Modulen sowie zum Host- Computer zu maximieren. RAPTOR-X64 ist modulkompatibel zum RAPTOR2000-System, so dass alle vorhanden RAPTOR2000- Module weiter verwendet werden können. Zwischen benachbarten Modulen können Daten mit einer Datenrate von mehr als 20 GBit/s ausgetauscht werden. Die Kommunikation mit dem Host-PC erfolgt wahlweise über PCI-X oder über eine integrierte USB-2.0-Schnittstelle. Auf diese Weise kann RAPTOR-X64 mit der gleichen Applikation sowohl in den Host-Rechner eingebaut, als auch unabhängig vom Host- Rechner betrieben werden. Somit ist das System auch für die Evaluierung eingebetteter Systeme und für den Test von Applikationen im Feld bestens geeignet. Für den Anwender steht eine Vielzahl von Diagnosefunktionen zur Verfügung, die neben einer Überwachung der digitalen Systemzustände die Kontrolle aller Spannungen und Temperaturen im System ermöglichen. Die stufenlose Variation des Systemtaktes erlaubt dem Anwender, seine Schaltungen stets im optimalen Betriebspunkt zu betreiben. CompactFlash-Speichermodule können Dank eines auf dem Basisboard integrierten s sowohl zur Konfiguration der Modulplatinen als auch als Datenspeicher genutzt werden. RAPTOR-X64 Basisplatine RAPTOR-X64 neue Funktionen 64Bit / 66MHz PCI-X Schnittstelle Integrierte USB Schnittstelle (HI-Speed, OTG) Modulkompatibel zu RAPTOR2000 Erweiterte Stand-alone-Einsetzbarkeit Optimierte Spannungsversorgung CompactFlash-Speichermodule für Konfiguration und als Datenspeicher Einstellbare Frequenzen für alle Systemtakte Umfangreiche Debug- und Monitoring- Funktionen USB USB USB 2.0-High-Speed USB-OTG System Monitor Voltage, Tempature, Analog Inputs Clock Sythesis, Distribution TST- CFG- USB Logic Local-Bus Master Local-Bus Slave OTG-Control +Config Logic Arbiter, MMU Diagnostics, CLK, Configuration, etc. Xilinx SystemACE CF CF Access, Control Compact Flash Schematischer Aufbau der RAPTOR-X64 Basisplatine PCI-X-Bus (64Bit Data / 32Bit Address) PCI-Bus- Bridge Master, Slave, DMA Dual-Port SRAM Module 6, SMB SelectMAP, CFG- Local-Bus (32Bit Data / 32Bit Address) Module 1, SMB SelectMAP, CFG- Module 2 Broadcast-Bus, SMB SelectMAP, CFG- Module 3 Module 4 4

5 Softwareumgebung Konfiguration und Einsatz der RAPTOR-Systeme Zur komfortablen Nutzung der RAPTOR- Systeme steht eine Softwareumgebung, die RaptorSuite, zur Verfügung. Alle Softwarekomponenten sind plattformunabhängig sowohl unter Windows als auch unter Linux lauffähig. Weiterhin unterstützt die Softwareumgebung alle RAPTOR-Basisplatinen und Module. Die unterste Software- schicht, RaptorLib, stellt eine hardwarenahe Schnittstelle zur Verfügung, die aber bereits von derverwendeten Kommunikations- schnittstelle abstrahiert, so dass die Applikation unabhängig vom genutzten Kommunikationsstandard (USB, PCI, PCI-X oder PCIe) realisiert werden kann. Mit Hilfe der RaptorAPI können Applikationen auch von entfernten Rechnern aus über ein lokales Netzwerk oder über das Internet auf die RAPTOR-Systeme zugreifen. Die grafische Benutzeroberfläche RaptorGUI realisiert eine komfortable Managementumgebung und ermöglicht einen ersten Test eigener Applikationen ohne zusätzlichen Software- Implementierungsaufwand. RaptorLIB RaptorLIB realisiert eine direkte Schnittstelle zur Hardware. Als C++ Bibliothek bildet sie die Basis für alle anderen Softwarekomponenten, und kann auch genutzt werden, um die RAPTOR-Systeme in eigene Softwareentwicklungen zu integrieren. Unterstützung von Windows/Linux Schnittstellenabstraktion (USB/PCI/PCI-X) Unterstützung aller Basisplatinen (Raptor2000/X64/XPress) Managementfunktionalität (FPGA-Konfiguration, Taktmanagement, Monitoring, etc.) Funktionen für verschiedene Arten von Datentransfers Datenlogger für Debugzwecke RaptorGUI Die RaptorGUI steht als einfach zu nutzende grafische Oberfläche für alle RAPTOR- Systeme zur Verfügung. Sie bietet die Möglichkeit, sowohl lokal installierte als auch über ein Netzwerk angebundene RAPTOR- Systeme zu nutzen. Auswahl lokaler und entfernter Boards Konfiguration von FPGA-Modulen (auch partiell und zur Laufzeit) Parametrierung der Bussysteme Speicher- und Modulzugriff Taktparametrisierung und IRQ/Reset- Management Ruby Scripting für die schnelle Implementierung komplexer Testprogramme RaptorGUI Softwareumgebung RaptorAPI Die RaptorAPI ermöglicht die Nutzung der Funktionalitäten der RaptorLIB über ein Netzwerk in einer Client-Server-Architektur. Unterstützung von Windows/Linux Abstraktion von der zu Grunde liegenden Netzwerkkommunikation Client-Server-Architektur Entwurfsunterstützung Für die Abbildung mikroelektronischer Schaltungen auf die RAPTOR-Systeme sowie für die Hardware-Software-Co-Verifikation steht eine Vielzahl von optimierten Entwurfswerkzeugen zur Verfügung. Die dynamische Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs wird durch INDRA, einen integrierten Entwurfsablauf für Xilinx FPGAs, ermöglicht. RAPTOR-X64 mit der Softwareumgebung RaptorSuite

6 FPGA-Module DB-VS, DB-V2Pro Virtex FPGA-Modul DB-VS Das FPGA-Modul DB-VS integiert FPGAs der ersten Xilinx Virtex und Virtex-E Generation. Der eng an das FPGA gekoppelten unterstützt die Integration von speicherintensiven Anwendungen. Wie alle RAPTOR-FPGA- Module ermöglicht das DB-VS die partielle Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs zur Laufzeit. Die Konfiguration erfolgt komfortabel über PCI/USB vom Host-Rechner aus oder von anderen Systemkomponenten innerhalb der RAPTOR-Umgebung Xilinx Virtex (-E) FPGA XCV400 bis XCV2000 einsetzbar Local-Bus (32Bit Daten / 32Bit Adressen) Verfügbare Systemressourcen: Logic Cells (XCV400) bis Logic Cells (XCV2000E) Variable Core-Spannung (2,V oder 1,8V) FPGA- Modul Xilinx Virtex/-E FPGA 93 (BG60 Gehäuse) 93 MByte Lokalbus-Schnittstelle Broadcast-Bus Signale SelectMAP, 61 MByte Je 93 Direktverbindungen zu den Nachbarmodulen Broadcast-Bus Stand-Alone-Betrieb möglich Virtex-II Pro FPGA-Modul DB-V2Pro Das FPGA-Modul DB-V2Pro integiert FPGAs der zweiten Xilinx Virtex Generation mit eingebetteten PowerPC- Prozessorkernen. Um die optimale Nutzung und Überwachung der PowerPC-Prozessoren zu ermöglichen, verfügt das Modul über zwei separate Trace/Debug Schnittstellen. Zur Ansteuerung der einzelnen Schnittstellen sowie für die Anbindung des Speichers stehen IP-Cores zur Verfügung, die bei Bedarf in den FPFA-Entwurf integriert werden können. Virtex-II Pro FPGA XC2VP20/30 mit eingebetteten PowerPC Prozessoren Verfügbare Systemressourcen: Logic Cells (XC2VP20) Logic Cells (XC2VP30) DB-V2Pro Local Bus /26 MB 2 RISCWatch/RISCTrace Debug-Schnittstellen für die eingebetteten PowerPCs 26 freie I/Os zu den Nachbarmodulen I/Os zum Broadcast-Bus CFG Xilinx Virtex-II Pro XC2VP20/30 (FF896) PPC Debug1 PPC Debug2 MByte 4 Quarzoszillatoren auf dem Modul x LED-Matrix Broadcast-Bus Stand-Alone-Betrieb möglich 6

7 FPGA-Module DB-V2, DB-V4 Virtex-2 FPGA-Modul DB-V2 Das FPGA-Modul DB-V2 integiert FPGAs der zweiten Xilinx Virtex Generation. Mit der Möglichkeit zur Nutzung des größten verfügbaren Virtex-2 FPGAs (XC2V8000) ist es besonders für große Hardware-Entwürfe geeignet. Wie bei allen FPGA-Modulen für die RAPTOR-Familie kann als Bestückungsoption zwischen einer Vielzahl unterschiedlicher FPGA- Typen gewählt werden. Der Anwender bestimmt die Größe und Geschwindigkeit des Bausteins abhängig von den Anforderungen seiner Anwendung. Neben -Speicher steht für die schnelle, unkomplizierte Zwischenspeicherung schneller SRAM-Speicher als Ergänzung zum On-Chip-Speicher des FPGAs zur Verfügung. Xilinx Virtex-2 FPGAs XC2V3000 bis XC2V8000 Verfügbare Systemressourcen: Logic Cells (XC2V3000) bis Logic Cells (XC2V8000) SODIMM Sockel für bis zu 2 Gbyte 8 MB SRAM (32bit) CPLD für schnelle partielle Rekonfiguration x LED Matrix 2x38-Pin Mictor-Stecker für Test und Debug Vollständige Anbindung an Lokalbus, Broadcast-Bus und Nachbarmodule Stand-Alone-Betrieb möglich Konfiguration, 22 DB-V2 CPLD 18 Lokalbus 6 x externe CLK, RESET, LED + Interspalten- Kommunikation XCHECKER & 4 12 Xilinx Virtex-II 22 9 XC2V4000/6000/8000 [824/820 IOs] 4 x externer + XC2V3000 [720 IOs] 4 Takt SRAM Externe Trace & Spannungsversorgung (2x38 Steuerung Steuerung 76 Debug IOs) MByteSRAM (32bit Datenbreite) 72 Broadcast Bus Austauschbares -Modul (MB, 26MB,...) 144Pin SODIMM Sockel xled Matrix Virtex-4 FX FPGA-Modul DB-V4 Mit den Virtex-4 FX Modulen werden neben den Bussystemen auf der Basisplatine erstmals auch serielle High-Speed- Verbindungen in die RAPTOR-Umgebungen integriert. Über 20 Rocket-IO Links mit einer Datenrate von bis zu 6. GBit/s pro Link können die Module auch über Basisboards hinweg direkt miteinander kommunizieren. Jeweils fünf Rocket-IOs sind auf einem Stecker zusammengefasst, so dass bei Verwendung von bis zu 2 m langen Kupferkabeln Datenraten von 4x32. GBit/s erreicht werden. Der Anwender kann mit Hilfe der freien Verkabelung beliebige Topologien für die Kommunikationsinfrastruktur zwischen den Modulen realisieren. Die Verschaltung des FPGAs erfolgte mit besonderem Augenmerk auf die partiellen Rekonfiguration, so dass beispielsweise auch währenden der Rekonfiguration des FPGAs auf den eingebetteten Speicher und die Kommunikationsschnittstellen zugegriffen werden kann. Xilinx Virtex-4 FX FPGAs (XC4VFX40 bis XC4VFX100) Local Bus 2 eingebettete PowerPC Prozessoren DB-V4 Verfügbare Systemressourcen: Logic Cells (XC4VFX40) bis Logic Cells (XC4VFX100) SODIMM Sockel für bis zu 4 Gbyte DDR2- Debug-Schnittstelle: 2x38-Pin Mictor Stecker Optimiert für partielle dynamische Rekonfiguration Stand-Alone-Betrieb möglich External Connectors Configuration, Lanes (622Mbs 10 Gbs per Lane) Replaceable DDR2-SODIMM- Module 200Pin SODIMM Socket High-Speed- Serial-IO / I²C Xilinx Virtex-4 FX XC4FX40/60/100 [448/76/768 IOs] External Power Supply Broadcast Bus DDR xled Matrix 3x external Clock 104 Trace & Debug (2x38 IOs) 20 Rocket-IO Transciever mit jeweils 6, GBit/s 7

8 I/O-Module DB-Ethernet, DB-Com Quad Ethernet PHY Modul DB-Ethernet Das Quad Ethernet PHY Modul DB-Ethernet stellt einen einfachen Weg zur Integration von 10/100 Mbit Ethernet Schnittstellen in die RAPTOR-Umgebung dar. Die vier Ethernet-Ports werden über einen PHY-Baustein auf dem Board angesteuert, der über vier CPLDs Daten mit benachbarten Modulen austauscht. Die in den CPLDs realisierten MII-Schnisttstellen können vom Anwender bei Bedarf an seine Anforderungen angepasst werden. 4 RJ4 Ethernet Ports 4 synchrone MII-Schnittstellen als IP-Cores in vier Xilinx CPLDs (XC9144XL) 4xRJ4 Isolation 4x TX/RX/Link LEDs 4UserLEDs DB-Ethernet Rev. 2 MII Management, Sleep,LED 8 10/100 Mbps; Voll-/Halbduplex Intel Quad-Ethernet-PHY Baustein Galvanische Entkopplung Port0 Port1 Intel LXT 974 Quad PHY XC9144 CPLD XC9144 CPLD Port0 Port x3 LEDs zur Anzeige von Verbindung, Senden und Empfang Vier frei nutzbare LEDs Port2 Port3 10/100 Mbps XC9144 CPLD XC9144 CPLD Port2 Port User interconnect 38 Kommunikationsmodul DB-Com Als universelles Kommunikationsmodul stellt das DB-Com eine Reihe essentieller Schnittstellen für den prototypischen Entwurf von System-on-Chip Architekturen zur Verfügung. Für die Anbindung an andere RAPTOR-Module steht ein Spartan-2 FPGA für die Datenvorverarbeitung zur Verfügung. Die integrierten Schnittstellen reichen von RS232 und RS4 über im Feldbusbereich verbreitete Protokolle wie CAN oder LON hin zu USB oder Firewire Schnittstellen. Weitere Protokolle, wie beispielsweise Interbus oder Profibus, können in dem Spartan-2 FPGA implementiert werden, da die notwendigen physikalischen Schnittstellen bereits im DB-Com-Modul integriert sind. IEEE1394a (Firewire) USB 2.0 Highspeed oder USB On-The-Go Fullspeed IEEE 4 (Parallel) IEEE1394 USB CAN LON RS232/ RS4 IEEE4 4 x RS232 (seriell, z.b. EIB) oder 2 x RS4 (z.b. Interbus, Profibus) CAN, LON, I²C, IrDA 2 x 18 Bit digitale I/O (z.b. für Bluetooth-Module) CFG 80 DB-Com Xilinx Spartan II X2CS I²C IrDA uni IO 80/71-Bit Schnittstellen zu benachbarten Modulen Broadcast-Bus 8

9 I/O-Module DB-MC, DB-VGA I/O-Modul DB-MC Das I/O-Modul DB-MC realisiert 20 analoge Eingänge und acht analoge Ausgänge sowie vier synchron-serielle Schnittstellen (SSI). Die Steuerung des Moduls erfolgt durch ein Xilinx Spartan-II E FPGA, mit dem zusätzlich einfache Regelungen realisiert werden können. Über den Broadcast-Bus können alle auf der RAPTOR- I/O-Modul DB-MC Basisplatine vorhandenen Module mit dem DB-MC kommunizieren. Auf diese Weise können beispielsweise dynamisch rekonfigurierbare FPGA-basierte Regelungen umgesetzt werden. Die Kopplung mehrerer DB-MC- Platinen ermöglicht zudem den Aufbau größerer, virtueller I/O-Subsysteme. 20 analoge Eingänge zur Aufnahme von Spannungen im Bereich von -10 V bis +10 V Wandlerrate: 100 ksps 8 analoge Ausgänge zur Ausgabe von Spannungen im Bereich von 0 V bis +10 V Wandlerrate: 84 ksps AI 1/1 AI 1/2 AI 1/3 AI 1/4 AI 2/1 AI 2/2 AI 2/3 AI 2/4 AI 3/1 AI 3/2 AI 3/3 AI 3/4 ADC 1 TLC378 ADC 2 TLC378 ADC 3 TLC378 DAC LTC2600 Xilinx Spartan IIE XC2S0E OPV LPC660 SSI... AO 1 AO 2 AO 8 SSI 1 SSI 2 SSI 3 SSI 4 4 synchron-serielle Schnittstellen Xilinx Spartan-II E FPGA für Modulkonfiguration und einfache Regelungen Anbindung über 64 Leitungen des Broadcast-Bus AI 4/1 AI 4/2 AI 4/3 AI 4/4 AI /1 AI /2 AI /3 AI /4 ADC 4 TLC378 ADC TLC Broadcast Bus PROM XC18V01 DB-MC VGA-Modul DB-VGA Für den direkten Anschluss eines VGA-Monitors an das RAPTOR-System wurde das Modul DB-VGA entwickelt. Unabhängig von einem Host-Rechner kann eine RAPTOR-Umgebung mit Hilfe dieses Moduls auch komplexe Zusammenhänge direkt visualisieren, so dass ein komfortables Monitoring und Debugging auch für Stand-Alone- Applikationen ohne Host-PC möglich ist. Physikalische DVI-Schnittstelle Realisierung durch TI TFP410 DVI Transceiver Programmierbarer Taktgenerator (Programmierung über I²C Bus) LocalBus Interface Micro Blaze SideCon- Interface Virtex-X FPGA Ansteuerung über VGA IP-Core auf benachbartem FPGA-Modul EEPROM Interface I2C Core VGA Core als Videospeicher 16/24/32 Bit Farbtiefe Doublebuffering EEPROM PLL DVI Interface DB-VGA DB-VX 9

10 RAPTOR-Module DB-Eval, DBE-Ethernet und weitere Module DB-Eval Die Möglichkeit zur Analyse systeminterner Signalverläufe ist ein zentrale Anforderung an Entwurfsumgebungen für SoCs. Neben Software-Lösungen für die RAPTOR-Systeme steht das Hardware-Modul DB-Eval zur Verfügung, das die Überwachung aller 46 Kommunikationsverbindungen zwischen Basisplatine und Modul ermöglicht. Weiterhin können die einzelnen Versorgungsspannungen der Module gezielt unterbrochen bzw. vermessen werden, um die Leistungsaufnahme der Module zu bestimmen. Das DB-Eval Modul wird einfach zwischen das zu vermessende Modul und die Basisplatine gesteckt und ermöglicht den direkten Anschluss von Logik-Analysatoren. Zugang zu allen 46 Modul-I/Os für die Analyse von Lokalbus Broadcast-Bus FPGA-Rekonfiguration Direktverbindungen Anschluss von Logikanalysatoren Keine Beeinflussung des analysierten Moduls Unterbrechung der einzelnen Versorgungsspannungen zur gezielten Messung der Leistungsaufnahme Erweiterungsmodul DBE-Ethernet Die Trace/Debug-Schnittstellen der FPGA-Module (ab Virtex-2) bieten eine einfache Möglichkeit für kostengünstige Erweiterungsmodule (DBE). Neben verschiedenen einfachen Modulen mit Pfostenleisten für Logik-Analysatoren oder anwendungsspezifische Erweiterungen steht mit dem DBE-Ethernet eine Gigabit Ethernet Schnittstelle mit direkter FPGA-Anbindung zur Verfügung. Das Modul stellt alle notwendigen Komponenten zur Realisierung der physikalischen Schnittstelle bereit, die Implementierung der MAC-Schicht erfolgt als Soft- oder Hard-Makro auf dem FPGA. 2 x 10/100/1000 MBit Ethernet (1000Base-T, Auto MDI-X) Zwei unabhängige PHY-Bausteine Kompatibel zu allen FPGA-Modulen mit Trace/Debug Schnittstelle (DB-V2Pro, DB-V, DB-V4, DB-V) Integrierte Kabeldiagnose Implementierung der MAC-Schicht im FPGA als Soft/Hard-Makro I²C GMII GMII I²C Config EEPROM 2 Config MEM Gigabit-Ethernet PHY 1 Gigabit-Ethernet PHY 2 Config MEM 2 Config EEPROM DBE-Ethernet 8 RJ4 8 RJ4 Weitere RAPTOR-Module Die Palette verfügbarer RAPTOR-Module wird stetig erweitert. So stehen beispielsweise zusätzliche Ein-/Ausgabemodule, Kommunikationsmodule für Profinet und Software-defined Radio sowie spezielle ASIC-Test- Module zur Verfügung. Umfangreiche Bibliotheken mit Elementen für den Platinenentwurf, IP-Kernen für die FPGA- Implementierungen und Software-Komponenten erleichtern den Entwurf anwendungsspezifischer Module. ASIC-Realisierungen lassen sich somit einfach in die RAPTOR-Umgebung integrieren, indem sie die FPGA- Prototypen ersetzen und mit der gleichen Hardware/Software-Umgebung getestet werden können. 10

11 Aktuelle Entwicklungen RAPTOR-XPress und DB-V Mit Hilfe der RAPTOR-X64 Basisplatine und den Virtex-4 FPGA-Modulen können eng gekoppelte FPGA-Systeme mit bis zu sechs Modulen pro Basisboard aufgebaut werden. Über die seriellen High-Speed-Verbindungen ist zudem eine Kopplung über Platinengrenzen hinweg möglich. Dieses Konzept wird im neusten Basisboard der RAPTOR-Familie, RAPTOR-XPress, konsequent weitergeführt. Die integrierte flexible und leistungsfähige Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht die Skalierung des Systems bis hin zum Aufbau großer FPGA-Cluster mit hunderten eng gekoppelter Bausteine. Das RAPTOR-XPress-Basisboard kann modular mit bis zu vier FPGA-Modulen bestückt werden und stellt umfangreiche Funktionen für Systemmanagement und Kommunikation zur Verfügung. Die Verbindung zum Host-Rechner ist über acht PCI-Express (PCIe) 2.0 Kanäle realisiert. Über einen PCIe-Switch auf dem RAPTOR-XPress-Basisboard ist es möglich, die volle Bandbreite von 32 GBit/s direkt an jedem Modul zu nutzen. Eine PCIe-zu- Lokalbus-Schnittstellen stellt sicher, dass alle bisherigen RAPTOR-Module, die keine PCIe- Schnittstellen besitzen, weiter genutzt werden können. Zusätzlich stehen Schnittstellen für USB 2.0 High-Speed und Gigabit Ethernet zur Verfügung. Zur Kommunikation zwischen Modulen stellt das RAPTOR-XPress-Basisboard Verbindungen zwischen benachbarten Modulen bereit, die in einer Ringtopologie eine Bandbreite von 80 GBit/s bei einer Latenz von unter 10 ns erlauben. Über ein zentrales Switch-FPGA auf der Basisplatine können beliebige Module zudem mit einer Bandbreite von 10 GBit/s kommunizieren. Kanälen (Vollduplex, 11 GBit/s) bereit, für die Kommunikation zwischen verschiedenen Basisboards stehen weitere 84 Vollduplex Links (11 GBit/s) zur Verfügung. Die Topologie dieser Kommunikationsinfrastruktur kann zur Laufzeit über einen integrierten 192x192 Crosspoint Switch (2112 GBit/s akkumulierte Bandbreite) verändert werden. Das DB-V ist das erste Modul, das dieses neue Konzept umsetzt; es integriert ein Xilinx Virtex- FX100T FPGA und 4 GByte DDR3 Speicher. Die PCIe-Schnittstelle ist in einem separaten Virtex- FX30T auf dem Modul realisiert, so dass der Virtex- FX100T komplett für die Implementierungen des Anwenders zur Verfügung steht. GB Ethernet PCIe 2.0-Bus (Hostsystem) (8 Lanes) USB Compact Flash PCIe 8x [1] PCIe 2.0 Switch (48 Lanes) PCIe 8x [2] Gigabit Ethernet PHY USB USB 2.0-High-Speed USB-Host, USB-OTG SystemACE CF CF Access, Configuration PCIe 8x [3] PCIe 8x [4] PCIe 8x [1] Broadcast/Config [1] PCIe 8x [2] -I2C PWR-I2C Broadcast/Config [2] -I2C PWR-I2C Hotplug + Config PCIe 1x Module 4 Module 2 Module 3 Flash Memory PCIe 8x 24x6. Gbit/s System Monitoring Voltage, Tempature PCIe 8x PCIe Endpoint Xilinx Virtex- LX30T 76 Local Bus 16x6. Gbit/s Xilinx Virtex- LX0T, LXT, LX110T, LX1T SX0T, SX9T DB-V Logic Power, I2C, USB, Ethernet, Operating System, etc. PCIe to Localbus Bridge Module 1 DDR2 Memory -I2C PWR-I2C 24 x 11 Gbit/s Localbus (32Bit Data / 32Bit Address) Inter FPGA x192 (24x 8x8) Crosspoint Switch FX70T, FX100T Schematischer Aufbau der RAPTOR-XPress Basisplatine GPIO (2x38 IOs) Broadcast/Config Bus Power Subsystem µc-based Power Sequencing, Control, Monitoring, System Startup Localbus Logic Arbiter, MMU, Diagnostics, CLK, etc. Crosspoint-Config Replaceable DDR3-SODIMM- Module 204Pin SODIMM Socket High-Speed- Serial-IO - Multiplexer Clock Sythesis, Distribution 24 x 11 Gbit/s 24 x 11 Gbit/s 24 x 11 Gbit/s Schematischer Aufbau des RAPTOR-Moduls DB-V + Power Subsystem Voltage Monitoring and andcontrol µ µ Managment DDR3 Inter FPGA x 11 Gbit/s 21 x 11 Gbit/s 21 x 11 Gbit/s 21 x 11 Gbit/s Module 1 Module 4 Module 3 Module 2 2 xled Matrix I2C Für die Kommunikation zwischen mehreren RAPTOR-XPress-Basisboards werden serielle High-Speed-Verbindungen verwendet. Hier kommen die gleichen Technologien wie auf den DB-V4 Modulen zum Einsatz, so dass die Protokolle und IP-Cores für die Kommunikation weiter genutzt werden können. RAPTOR-XPress stellt zu jedem Modul eine Schnittstelle mit 24 seriellen High-Speed- Broadcast/Config [1] Broadcast/Config [2] Power/ I2C Broadcast/Config [3] PCIe 8x [4] PCIe 8x [3] Broadcast/Config [4] Config+Broadcast Logic Broadcast-Switch, Configuration, etc. -I2C PWR-I2C Other RAPTOR-XPress Broadcast/Config [4] -I2C PWR-I2C Broadcast/Config [3] 11

12 Kontakt: Dr.-Ing. Mario Porrmann Universität Bielefeld Excellenzcluster Cognitive Interaction Technology Kognitronik und Sensorik Universitätsstraße Bielefeld Tel.: 021 / Fax: 021 / mporrmann@cit-ec.uni-bielefeld.de Web: