DSP с интерфейсом PCI Express обеспечивают больше возможностей

Интерфейс PCI Express (PCIe) успешно проник на рынки бизнес-сегмента — в системы обработки графики, хранения данных, серверы, связь и встраиваемые приложения, чему немало способствовало широкое распространение PCIe в блоках ЦП от Intel, блоках графической обработки от nVidia, во встраиваемых процессорах от Freescale, AMCC и Cavium, а также в потребительских устройствах от Atheros, Marvell, Broadcom, Infineon и Conexant.
Все устройства — модули Wi-Fi, приставки для телевизоров, кабельные модемы и шлюзы для домашних сетей — оснащены PCIe. Растет не только объем продукции, в которой используется этот интерфейс, но и число ее типов. Благодаря такой популярности этого интерфейса окрепла соответствующая экосистема, и снизилась стоимость продукции, что оказалось взаимовыгодным для потребителей и поставщиков.
Недавно интерфейс PCIe появился у DSP от Texas Instruments, Freescale и LSI. В прошлом у DSP были либо оригинальные интерфейсы, либо Serial RapidIO (sRIO), но нынешние DSP оснастились PCIe, что обеспечило возможность подключения и снижения стоимости решений. Это обстоятельство особенно важно с точки зрения проникновения PCIe в сегменты рынка быстро развивающейся продукции, например, беспроводных станций, систем видеонаблюдения и видеосвязи, систем формирования изображения, домашнего аудио- и видеооборудования и цифровых записывающих видеоприставок (DVR/NVR).
В статье рассматриваются способы повышения эффективности системы за счет функционально гибких портов и каналов коммутаторов интерфейса PCIe, уменьшения размеров корпуса устройств и возможности развернуть ряд оконечных узлов.

С момента появления PCIe в 2004 г. этот интерфейс стал применяться во всех рыночных сегментах — потребительской электроники, в видеокартах, встроенных и материнских платах. Однако даже после этого успешного распространения интерфейса до сих пор остался незатронутым один главный сегмент рынка — беспроводные базовые станции. Так произошло потому, что тогдашние DSP были разработаны либо на основе интерфейса sRIO, либо производители использовали собственные ASIC с оригинальными шинами.
В настоящее время эта картина менястя, главным образом, потому что поставщики DSP осознали потребность рынка в расширении возможности подключения устройств. Разработчикам требуется стандартный интерфейс — недорогой и широко распространенный, который поддерживала бы крепкая экосистема.
Кроме того, поставщикам DSP теперь не приходится устанавливать несколько интрфейсов, чтобы удовлетворить изменчивому спросу потребителей — достаточно одного PCIe 2.0 (Gen 2) на 5 Гбит/с. При этом экономится значительное пространство за счет удаления выводов оригинальных интерфейсов, что позволяет поставщикам предлагать устройства, оптимизированные по стоимости и функционалу.
Поскольку PCIe используется уже более семи лет, вокруг него сложилась большая экосистема, что значительно упрощает подключение к нему различных устройств. Кроме того, PCIe поддерживает новейшие технологии межсоединения, в т.ч. USB 3.0.
У большинства DSP только два канала PCIe, сконфигурированных в виде одного порта ×2 PCIe, который обеспечивает возможность подключения к большому количеству устройств. Рассмотрим несколько примеров использования коммутатора PCIe.

В примере на рисунке 1 в устройстве DVR/NVR (digital video recorder/network video recorder — цифровое/сетевое записывающее видеоустройство) единый интерфейс ×1 от DSP обеспечивает соединение с несколькими устройствами. Если бы у DSP не было интерфейса PCIe, для подключения оконечных устройств пришлось бы устанавливать интерфейсы собственной разработки, а соединение FPGA с ASIC, скорее всего, оказалось бы непростым делом, не говоря уже о кодере сигнала изображения.

Рис. 1. Устройство DVR/NVR

Если пропускная способность соединения между процессором и коммутатором PCIe ограничена, используется конфигурация ×2 (см. рис. 2), которая позволяет увеличить скорость передачи данных.
Еще один пример конфигурации DSP приведен на рисунке 3.

Рис. 2. Устройство DVR/NVR с восходящим соединением ×2

Рис. 3. Типовое подключение DSP к PCIe

В этом случае несколько DSP подключается к центральному коммутатору PCIe, благодаря чему значительно увеличивается вычислительная мощность системы. Такая коммутация завоевала большую популярность среди всех других технологий. На рисунке 3 показана идеально сбалансированная по нагрузке схема использования интерфейса PCIe — в конфигурации PCIe ×8 достигается скорость 40 Гбит/c. При этом четыре порта ×2 DSP обеспечивают ту же скорость, благодаря чему пропускная способность системы не снижается.
Та гибкость, которая характерна для PCIe-коммутации, очень важна в подобных приложениях. Если разработчику понадобится блок из большего числа DSP, чем показано на рисунке 3, такую возможность ему предоставит поставщик коммутаторов.

Разработчики приставок к телевизорам используют DSP для реализации подключения к Wi-Fi и USB 3.0, как показано на рисунке 4.
В этом случае коммутатор PCIe устанавливает развернутое подключение к нескольким оконечным узлам.

Рис. 4. Подключение приставки к коммутатору

Технология PCIe, наконец, получает широкое применение и на рынках DSP-систем. Эти DSP поддерживают высокоскоростной интерфейс PCIe Gen 2. Однако число поддерживаемых каналов и портов PCIe у DSP всегда ограничено, что часто доставляет разработчикам неудобства. Фактически, большинство DSP поддерживает только один интерфейс ×2 PCIe Gen 2. Именно в этих случаях выручает применение коммутаторов PCIe, которые не только увеличивают число используемых каналов, но и позволяют сбалансировать скорость передачи данных и питание в системе за счет возможности независимо работать в каждом канале и порту на скоростях версий PCIe Gen 1 и Gen 2.
На самом деле, эту возможность непросто реализовать из-за большого разнообразия рынков DSP, т.к. в некоторых приложениях требуется обеспечить большое количество каналов и портов (см. рис. 3), а также удовлетворить трем важным требованиям, предъявляемым к размерам корпуса, энергопотрбелению и стоимости.
Поскольку в этих случаях платы и системы имеют ограниченные размеры, необходимо, чтобы коммутаторы PCIe были выполнены в миниаютрных корпусах. Условие малого расхода электроэнергии потребительскими устройствами возникает потому, что миниатюрные платы не оснащены теплоотводами или вентиляторами. Кроме того, необходимо ограничить количество компонентов, чтобы стоимость устройства и его потребление были невысокими.
Продукция таких поставщиков как PLX Technology удовлетворяет этим требованиям благодаря функционально гибким, энергоэффективным и высокопроизводительным коммутаторам PCIe, которые широко используются в рассмотренных схемах. Эти поставщики будут играть ключевую роль в развитии экосистемы ин­терфейса PCIe на основе стандарта PCIe Gen 2, а также будущего стандарта PCIe Gen 3, предусматривающего скорость передачи 8 Гбит/с.