【经验】 基于ZYNQ的SDI交换芯片的配置管理方法介绍

一、前言

SDI3210软件定义互连交换芯片是一款支持多种协议类型的交换芯片，最多可支持32个端口和32路高速通道，其中每个端口协议类型都可定义为RapidIO、Fiber Channel、或者以太网，并且支持异构协议之间的实时转换，每个通道最高速率达10.3125Gbaud,提供了320Gbaud的无阻塞交换能力。基于SDI3210的交换方案可灵活实现异构协议网络的互连互通，适用于板内芯片到芯片、板间、机柜间互连等应用。

二、概述

图 1 SDI3210芯片架构

SDI3210软件定义互连交换芯片立足于多协议交换以及协议转换，各种强大功能的实现离不开软件的配置，所以在嵌入式应用领域，选择一款的动态灵活配置管理处理器就显得十分重要，以此可以满足对SDI3210各种基础功能的配置和状态的监控，做到最大限度的发挥SDI芯片强大的软件定义互连功能的作用。

三、方案概述

Zynq-7000系列可编程系统级芯片是由Xilinx公司推出的可扩展处理平台，将ARM Cortex-A9 MPCore处理器片上系统（SOC）与28nm低功耗可编程逻辑器件紧密集成在一起，帮助系统架构师和嵌入式软件开发人员设计、开发和定制系统，可实现系统级差异化，满足各行业需要。

本文推荐一种基于Xilinx ZYNQ器件的SDI交换芯片管理方法，可以基于zynq器件PS-ARM侧快速搭建linux的操作系统用于软件配置应用。同时在zynq PL-Fpga侧也可以方便实现包括高速接口在内的各种配置管理接口，例如I2C，Srio，Pcie或者可选的FC接口等。相对使用通用架构的CPU例如ARM，PowerPC，MIPS，省去了遴选各种CPU外设接口的复杂过程，因为通用处理器同时具备I2C，SRIO，PCIE、或者FC接口的可选性很小。Zynq 的PL侧实际是内嵌了Kintex-7的FPGA内核。使用Xilinx官方提供的各种高低速接口的IP，可以快速搭建各种配置接口，非常符合软件定义功能规范的要求。

图2 Zynq+SDI3210 配置系统方案

四、技术实现

4.1 硬件方案  

考虑低成本的因素，可以采用XC7Z035系列芯片设计系统，假如Zynq在系统中除了配置之外还有一些复杂的PL的逻辑开发，可以选择XC7Z045系列芯片（7045相对7035PL侧的逻辑资源更加丰富）。外设如图2所示，需要具备以下条件：

1、DDR3:PS侧的DDR3颗粒，32位宽，建议至少256MB容量，数据端口1066MT/s。

2、SPI Flash : 建议至少32MB容量，用于存储BOOT、环境变量等启动信息。

3、EMMC: 建议至少1GB，存储BOOT、KERNEL IMAGE以及文件系统等。

4、UART：串口用于嵌入式驱动、OS应用的调试。

5、ENET：千兆以太网用于调试，包括Tftp更新固件，SSH登录调试等。

6、SD CARD：用于前期系统及驱动的调试，方便更新镜像和文件系统。

7、CLK&PWR：系统必须的时钟及电源供给。

备注：硬件实现具体实现可以参考Xilinx官方开发板设计。

4.2 逻辑方案  

ZYNQ的开发需要在Xilinx的Vivado和SDK工具链下开展。

图3 基于Vivado 2017.4 的zynq配置界面

1、ZYNQ PS侧需要完成ARM Core的配置。需要根据具体的外部硬件条件完成所需的接口设定。包括Block Design，PS-PL configuration，Peripheral I/O Pins,MIO configuration, Clock Configuration,DDR Configuration Interrupts等。

2、ZYNQ PL侧需要实现至少一个PCIE 1x高速通道的IP接口。FC IP接口根据需要选择实现，对SDI芯片的配置不是必须。PCIE用于配置管理，SRIO接口可用于维护包管理SRIO网络状态。

3、I2C接口可以选择在PS端MIO端口侧实现，也可以使用Xilinx的AXI-I2C的 IP在PL侧逻辑实现。

4、SRIO接口使用Xilinx官方IP Serial RapidIO Gen2 IP来实现。实现管理配置只需要维护包访问，所以使用SRIO IP的MAINT IF接口挂载到ZYNQ的Master AXI总线上即可。

5、PCIE接口使用Xilinx提供的AXI Memory Mapped To PCI Express IP来实现。如果需要DMA功能可以选择DMA/Bridge Subsystem for PCI Express IP来实现。

BLOCK DESIGN设计完成后的框图大致如下所示。

图 4  基于Vivado2017.4的 Zynq PL侧BLOCK DESIGN

4.3 软件方案  

软件方案有两种可以实现：

1、可以选择在SDK中使用Standalone方式建立Bare Metal下的工程来设计。

2、使用Petalinux工具定制所需的Uboot、Kernel、Device-tree以及Filesystem来实现操作系统级的应用。

推荐使用第二种Petalinux定时系统的方式来进行。因为Xilinx提供了Uboot和Kernel的源码，在Driver中已经添加了常用的接口驱动如PCIE、I2C等。Petalinux方式的定制系统及应用的方法具体可以参考Xilinx-《ug1144-petalinux-tools-reference-guide.pdf》文档。这里不再展开累述。

五、总结展望

本文基于逐步建立和扩展SDI软件定义互连生态的目的，推荐了一种相对适合、灵活、易于实现的SDI交换芯片的配置管理方案。并且目前国内已经具备Zynq7000器件的原位替代产品，未来可以使用国产ZYNQ器件+SDI交换芯片，将本文推荐的方式优化成全国产化方案。与此同时，期望和众多合作伙伴加强沟通交流，共同打造一个广泛、共赢的SDI软件定义互连应用生态！

六、 附录

井芯微电子提供SDI3210 官方DEMO板卡，板载COME-TYPE 6 ZYNQ子卡和SDI3210芯片，扩展了丰富的外部接口，可以支持客户全方位的评估应用，大大降低客户应用难度和开发风险，同时缩短客户后续系统级产品的研发周期。

3210芯片Demo板

3210芯片Demo板 主要特性

• 支持4种协议RapidIO 3.1，FC-AE-ASM，10G Base-KR、1000BASE-X之间的任意两两转换；

• 支持多种通道速率：1.25、2.125、2.5、3.125、4.25、5、6.25、8.5和10.3125Gbaud

• 3210的32个高速lane引出

• 3个AMC B+ 接口：每个有1个4X lane +1个1X lane。可灵活对接AMC协议处理子卡，支持FPGA、DSP、PowerPC等多种处理器

• 2个QSFP+光模块接口：每个有1个4X lane

• 4个SFP+光模块接口：每个有1个1X lane

• 1个SMA 阵列：有1个4X lane

• 1个COME CPU通信接口：有1个1X lane。可灵活对接ComE配置处理子卡，支持ZYNQ、DSP、PowerPC等多种处理器

• 3210有4种灵活寄存器配置方式，JTAG接口、IIC接口、SRIO接口、PCIe接口

• ComE配置处理子卡具有IIC、PCIE和RapidIO接口，灵活配置3210

• 板载CHMC模块完成单板电压、温度状态采集，通过IIC总线与主控通信

• 3210独立供电，实时功耗检测及显示，方便用户评估芯片功耗