Modular Rapid Prototyping - hni.uni-paderborn.de · DB-V2, DB-V4 FPGA-Module 7 Das FPGA-Modul DB-V2...
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RAPTORModular 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 Beschleu-
nigung rechenzeitintensiver Anwendungen
wird ebenso unterstützt, wie die partielle
Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs.
Die RAPTOR-FamileModulares Rapid Prototyping
Konzept
2
Die RAPTOR-Systemekönnen modular mit einerVielzahl unterschiedlicherModule erweitert werden
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 Beschleu-
nigung 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-5 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.
RAPTOR2000Skalierbarkeit durch den Einsatz neuer Module
3
RAPTOR2000 stellt die Basisfunktionen für
die prototypische Realisierung mikroelektroni-
scher Schaltungen zur Verfügung. Sechs unab-
hängige Modulsteckplätze, die jeweils über
456 Signalleitungen mit der Basisplatine ver-
bunden sind, können variabel bestückt wer-
den. Jedes Modul wird in einem systeminter-
nen Multi-Master-Bussystem (Lokalbus) als
eigenständiger Teilnehmer verwaltet. Über
diese Schnittstelle findet sowohl die Kommuni-
kation 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.
Modulsteckplätze
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6 Modulsteckplätze
456 Signalleitungen zum Trägersystem
32 Bit Lokalbus-Zugang (1,6 GBit/s)
75 Bit Broadcast-Bus-Zugang (4,3 GBit/s)
Je 128 Direktverbindungen zum linken und
rechten Nachbarmodul (10 GBit/s)
Stabilisierte Spannungsversorgungen
(5V; 3,3V; 2,5V; 1,8V)
Schematischer Aufbau derRAPTOR2000 Basisplatine
CFGCFGCFG
CTRL-Logik
Arbiter, MMU
Diagnose, CLK
Config.- Manager
JTAG, SelectMAP
PCI-Bus-
Bridge
Master, Slave,
DMA
Flash ROM
Dual-Port
SRAM
CTRL CTRLCTRL
Modul6
Modul4
Modul 1 Modul 2 Modul 3PC
I-B
us
(32B
itD
ate
n/32B
itA
dre
ssen)
Local-Bus (32Bit Daten / 32Bit Adressen)
85
85
85
128 128 128 128
75
75
75
Broadcast-Bus
RAPTOR2000Basisplatine bestückt mitdrei Erweiterungsmodulen
Kontroll-Logik
�
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�
2 Xilinx XC95288 CPLDs
Lokalbus Arbiter (14 Master)
Lokalbus Adressdekodierung (16 Slaves)
Programmierbarer Systemtakt-Generator
Diagnoseeinheit
PCI-Bus-Anbindung
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32 Bit PCI-Bus-Schnittstelle
mit PLX PCI9054
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
FPGA-Konfiguration
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Hardwareimplementierung des SelectMAP-
Konfigurations-Mechanismus
(Re-)Konfigurationsdatenrate: 50 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
Einsatzgebiete
�
�
�
�
SoC Prototyping
Hardware/Software-Co-Verifikation
FPGA-Computing
Dynamische Rekonfiguration
SelectMAP,
CFG-JTAG
SelectMAP,
CFG-JTAGSelectMAP,
CFG-JTAG
CTRL+Config Logic
Arbiter, MMU
Diagnostics, CLK,
Configuration, etc.
PC
I-X
-Bu
s(6
4B
itD
ata
/32
Bit
Ad
dre
ss)
PCI-Bus-
Bridge
Master, Slave,
DMA
Local-Bus (32Bit Data / 32Bit Address)
Dual-Port
SRAM
85
CTRL,
SMB 85
CTRL,
SMB85
CTRL,
SMB
128
Mo
du
le6
Mo
du
le4
Module 1
128
Module 2
128
Module 3
128
75
75
75
Broadcast-Bus
USB Logic
Local-Bus Master
Local-Bus Slave
OTG-Control
USB Controller
USB 2.0-High-Speed
USB-OTG
Xilinx
SystemACE CF
CF Access,
JTAG Control
TST-JTAG
CFG-JTAG
System Monitor
Voltage, Tempature,
Analog Inputs
Clock
Sythesis,
DistributionUSB
Compact
Flash
RaptorX64
4
RAPTOR-X64 Basisplatine
Schematischer Aufbauder RAPTOR-X64Basisplatine
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 Controllers sowohl zur
Konfiguration der Modulplatinen als auch als
Datenspeicher genutzt werden.
RAPTOR-X64Rapid Prototyping von SoCs und eingebetteten Systemen
RAPTOR-X64 neue Funktionen–
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64Bit / 66MHz PCI-X Schnittstelle
Integrierte USB Schnittstelle
(HI-Speed, OTG)
Modulkompatibel zu RAPTOR2000
Erweiterte Stand-alone-Einsetzbarkeit
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�
Optimierte Spannungsversorgung
CompactFlash-Speichermodule für
Konfiguration und als Datenspeicher
Einstellbare Frequenzen für alle Systemtakte
Umfangreiche Debug- und Monitoring-
Funktionen
Konfiguration und Einsatz der RAPTOR-Systeme
Softwareumgebung
Zur komfortablen Nutzung der RAPTOR-
Systeme steht eine Softwareumgebung, die
RaptorSuite, zur Verfügung.
Die unterste Software
schicht, RaptorLib, stellt eine hardwarenahe
Schnittstelle zur Verfügung, die aber bereits
von de verwendeten Kommunikations
abstrahiert, so dass die
Applikation unabhängig vom genutzten
Kommunikationsstandard
realisiert werden kann. Mit Hilfe
der RaptorAPI können auch
von entfernten Rechnern aus über ein lokales
Netzwerk oder über das Internet auf
RAPTOR zugreifen. Die grafische
Benutzeroberfläche RaptorGUI realisiert
eine komfortable Managementumgebung
und ermöglicht einen ersten Test eigener
Applikationen ohne zusätzlichen Software-
Implementierungsaufwand.
Alle Software-
komponenten sind plattformunabhängig so-
wohl unter Windows als auch unter Linux
lauffähig. Weiterhin unterstützt die
Softwareumgebung alle RAPTOR-Basis-
platinen und Module. -
r -
schnittstelle
(USB, PCI, PCI-X
oder PCIe)
Applikationen
die
-Systeme
5
RaptorGUISoftwareumgebung
RAPTOR-X64 mit derSoftwareumgebung RaptorSuite
RaptorLIB
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�
RaptorLIB realisiert eine direkte Schnittstelle
zur Hardware. Als C++ Bibliothek bildet sie
die Basis für alle anderen Software-
komponenten, und kann auch genutzt wer-
den, 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-Konfigu-
ration, Taktmanagement, Monitoring, etc.)
Funktionen für verschiedene Arten von
Datentransfers
Datenlogger für Debugzwecke
RaptorAPI
�
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�
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
RaptorGUI
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�
�
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�
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 Implemen-
tierung komplexer Testprogramme
Entwurfsunterstützung
Für die Abbildung mikroelektronischer
Schaltungen auf die RAPTOR-Systeme sowie
für die Hardware-Software-Co-Verifikation
steht eine Vielzahl von optimierten Entwurfs-
werkzeugen zur Verfügung. Die dynamische
Rekonfiguration der eingesetzten FPGAs wird
durch INDRA, einen integrierten Entwurfs-
ablauf für Xilinx FPGAs, ermöglicht.
DB-VS, DB-V2Pro
FPGA-Module
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.
6
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 SDRAM 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
Local-Bus (32Bit Daten / 32Bit Adressen)
128
85
CTRL FPGA- Modul
Xilinx Virtex/-E
FPGA(BG560 Gehäuse)
SelectMAP,
JTAG75
128
Broadcast-Bus
SDRAM
Controller
85
93 93
61
128MByte
SDRAM
Local Bus
128
85
CTRL DB-V2Pro
Xilinx Virtex-II Pro
XC2VP20/30
(FF896)
CFG
75
128
Broadcast-Bus
SDRAM
Controller
85
128 128
75 128MByte
SDRAMPPC
Debug1
PPC
Debug2
�
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�
�
Xilinx Virtex (-E) FPGA
XCV400 bis XCV2000 einsetzbar
Verfügbare Systemressourcen:
10.800 Logic Cells (XCV400) bis
43.200 Logic Cells (XCV2000E)
Variable Core-Spannung (2,5V oder 1,8V)
128MByte SDRAM
Lokalbus-Schnittstelle
75 Broadcast-Bus Signale
Je 93 Direktverbindungen zu
den Nachbarmodulen
Stand-Alone-Betrieb möglich
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�
Virtex-II Pro FPGA XC2VP20/30 mit
eingebetteten PowerPC Prozessoren
Verfügbare Systemressourcen:
22.032 Logic Cells (XC2VP20)
30.816 Logic Cells (XC2VP30)
128/256 MB SDRAM
2 RISCWatch/RISCTrace Debug-Schnitt-
stellen für die eingebetteten PowerPCs
256 freie I/Os zu den Nachbarmodulen
75 I/Os zum Broadcast-Bus
4 Quarzoszillatoren auf dem Modul
5x5 LED-Matrix
Stand-Alone-Betrieb möglich
DB-VS, DB-V2Pro
FPGA-Module
DB-V2, DB-V4
FPGA-Module
7
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 SDRAM-Speicher steht für die schnelle, unkomplizierte Zwischenspeicherung
schneller SRAM-Speicher als Ergänzung zum On-Chip-Speicher des FPGAs zur Verfügung.
Virtex-2 FPGA-Modul DB-V2
Konfiguration,
JTAG
Lokalbus
128
85
CTRL
22
DB-V2
75
Broadcast Bus
Xilinx Virtex-IIXC2V4000/6000/8000 [824/820 IOs]
+ XC2V3000 [720 IOs]
Austauschbares
SDRAM-Modul
(128MB, 256MB, ...)
144Pin SODIMM Sockel
85
128 128
75
SDRAM
Steuerung
58 MByte SRAM
(32bit Datenbreite)
CPLD 18
SRAM
Steuerung
XCHECKER &
JTAG
4 x externer
Takt
5 x 5 LED
Matrix
Trace &
Debug
(2x38 IOs)
6 x externe CLK, RESET,
LED + Interspalten-
Kommunikation
Externe
Spannungs-
versorgung
72
76
4
4
25
12
15
22 9
5
76
101
128
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
6.5 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 4x32.5 GBit/s erreicht werden. Der Anwender kann mit Hilfe der freien Verkabelung beliebige Topo-
logien 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 Rekonfi-
guration des FPGAs auf den eingebetteten Speicher und die Kommunikationsschnittstellen zugegriffen werden kann.
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Xilinx Virtex-2 FPGAs
XC2V3000 bis XC2V8000
Verfügbare Systemressourcen:
32.256 Logic Cells (XC2V3000) bis
104.832 Logic Cells (XC2V8000)
SODIMM Sockel für bis zu 2 Gbyte SDRAM
8 MB SRAM (32bit)
CPLD für schnelle partielle Rekonfiguration
5x5 LED Matrix
2x38-Pin Mictor-Stecker für Test und Debug
Vollständige Anbindung an Lokalbus,
Broadcast-Bus und Nachbarmodule
Stand-Alone-Betrieb möglich
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�
�
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�
�
�
Xilinx Virtex-4 FX FPGAs
(XC4VFX40 bis XC4VFX100)
2 eingebettete PowerPC Prozessoren
Verfügbare Systemressourcen:
41.904 Logic Cells (XC4VFX40) bis
94.896 Logic Cells (XC4VFX100)
SODIMM Sockel für bis zu 4 Gbyte DDR2-SDRAM
Debug-Schnittstelle: 2x38-Pin Mictor Stecker
Optimiert für partielle dynamische Rekonfiguration
Stand-Alone-Betrieb möglich
20 Rocket-IO Transciever mit jeweils 6,5 GBit/s
Ex
tern
al
Co
nn
ec
tors
Local Bus
5
5
5
5
128
22
85
DB-V4
Configuration,
JTAG
CTRL /
I²C
75
Broadcast Bus
Xilinx Virtex-4 FXXC4FX40/60/100 [448/576/768 IOs]
Replaceable
DDR2-SODIMM-
Module200Pin SODIMM Socket
85
104
104
75
DDR2
SDRAM
Controller
5
JTAG
3x external
Clock
5 x 5 LED
Matrix
Trace &
Debug
(2x38 IOs)76
4
3
25
5
13
0
128
Hig
h-S
pe
ed
-
Se
ria
l-IO
Co
ntr
oll
er
22
20 Lanes(622Mbs – 10 Gbs
per Lane)
External
Power
Supply
DB-Ethernet, DB-Com
8
128
CTRL
CFGDB-Com
75
128
Broadcast-Bus
80
71
10
IEEE1394
USB
LONRS232/
RS485IEEE1284
IrDA
I²C
CAN
Xilinx Spartan II
X2CS200
uni
IO
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 RS485 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.
DB-Ethernet Rev. 2
Isolation
Port0
Port1
Port2
Port3
MII Management,
Sleep,LED
XC95144
CPLD
XC95144
CPLD
XC95144
CPLD
XC95144
CPLD
Intel
LXT 974
Quad PHY
10/100
Mbps
Port0
Port1
Port2
Port3
4 User LEDs
4x TX/RX/Link
LEDs
38
17
17
17
17
8
User interconnect
4 x RJ 45
16
16
16
16
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.
I/O-Module
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�
�
�
�
�
�
4 RJ45 Ethernet Ports
4 synchrone MII-Schnittstellen als IP-Cores
in vier Xilinx CPLDs (XC95144XL)
10/100 Mbps; Voll-/Halbduplex
Intel Quad-Ethernet-PHY Baustein
Galvanische Entkopplung
4x3 LEDs zur Anzeige von
Verbindung, Senden und Empfang
Vier frei nutzbare LEDs
�
�
�
�
�
�
�
IEEE1394a (Firewire)
USB 2.0 Highspeed oder
USB On-The-Go Fullspeed
IEEE 1284 (Parallel)
4 x RS232 (seriell, z.B. EIB) oder
2 x RS485 (z.B. Interbus, Profibus)
CAN, LON, I²C, IrDA
2 x 18 Bit digitale I/O
(z.B. für Bluetooth-Module)
80/71-Bit Schnittstellen
zu benachbarten Modulen
9
I/O-Modul DB-MC
DB-MC, DB-VGA
I/O-Modul 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.
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-
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.
I/O-Module
�
�
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�
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�
Physikalische DVI-Schnittstelle
Realisierung durch
TI TFP410 DVI Transceiver
Programmierbarer Taktgenerator
(Programmierung über I²C Bus)
Ansteuerung über VGA IP-Core
auf benachbartem FPGA-Modul
SDRAM als Videospeicher
16/24/32 Bit Farbtiefe
Doublebuffering
�
�
�
�
�
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
4 synchron-serielle Schnittstellen
Xilinx Spartan-II E FPGA für Modulkonfiguration
und einfache Regelungen
Anbindung über 64 Leitungen des Broadcast-Bus
DB-MC7
5
Broadcast Bus
64
Xilinx Spartan IIE
XC2S50E
ADC 5
TLC3578
ADC 4
TLC3578
ADC 3
TLC3578
ADC 2
TLC3578
ADC 1
TLC3578
DAC
LTC2600
OPV
LPC660
SSI
PROM
XC18V01
AO 1
AO 2
AO 8
...
SSI 1
SSI 2
SSI 3
SSI 4
AI 1/2
AI 1/3
AI 1/4
AI 2/2
AI 2/3
AI 2/4
AI 3/1
AI 3/2
AI 3/3
AI 3/4
AI 4/1
AI 4/2
AI 4/3
AI 4/4
AI 5/1
AI 5/2
AI 5/3
AI 5/4
AI 2/1
AI 1/1
DB-VGA DB-VX
Virtex-X FPGA
EEPROM PLLDVI
InterfaceSDRAM
SDRAM
Controller
VGA
Core
I2C
Core
EEPROM
Interface
LocalBus
Interface
Micro
Blaze
SideCon-
Interface
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 456 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.
DB-Eval
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 physikali-
schen Schnittstelle bereit, die Implementierung der MAC-Schicht erfolgt als Soft- oder Hard-Makro auf dem FPGA.
Erweiterungsmodul DBE-Ethernet
DB-Eval, DBE-Ethernet und weitere Module
10
RAPTOR-Module
�
�
�
�
�
�
�
�
Zugang zu allen 456 Modul-I/Os
für die Analyse von
Lokalbus
Broadcast-Bus
FPGA-Rekonfiguration
Direktverbindungen
Anschluss von Logikanalysatoren
Keine Beeinflussung des analysierten Moduls
Unterbrechung der einzelnen Versorgungs-
spannungen zur gezielten Messung der
Leistungsaufnahme
25Gigabit-Ethernet
PHY 1
8
Config
MEM
Config
EEPROM
GMII
RJ45
Gigabit-Ethernet
PHY 2
Config
MEM
Config
EEPROM
DBE-Ethernet
8 RJ45
25GMII
2
2
2
2I²C
I²C
�
�
�
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�
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
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.
Weitere RAPTOR-Module
11
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 Platinen-
grenzen 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 modu-
lar 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.
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 Kommuni-
kation weiter genutzt werden können.
RAPTOR-XPress stellt zu jedem Modul eine
Schnittstelle mit 24 seriellen High-Speed-
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-V5 ist das erste Modul, das dieses
neue Konzept umsetzt; es integriert ein Xilinx
Virtex-5 FX100T FPGA und 4 GByte DDR3
Speicher. Die PCIe-Schnittstelle ist in einem
separaten Virtex-5 FX30T auf dem Modul
realisiert, so dass der Virtex-5 FX100T
komplett für die Implementierungen des
Anwenders zur Verfügung steht.
Schematischer Aufbau der RAPTOR-XPress Basisplatine
RAPTOR-XPress und DB-V5
Aktuelle Entwicklungen
Local Bus
132
85
PCIe 8x
24x6.5
Gbit/s
78
Broadcast/Config Bus
Xilinx Virtex-5LX50T, LX85T, LX110T, LX155T
SX50T, SX95TFX70T, FX100T
Replaceable
DDR3-SODIMM-
Module204Pin SODIMM Socket
132 132
78
DDR3
SDRAM
Controller
JTAG Managment
5 x 5 LED
Matrix
GPIO
(2x38 IOs)
25
132
Hig
h-S
peed
-
Seri
al-
IO
Co
ntr
olle
r
Xilinx
Virtex-5
LX30T
PCIe 8x
Endpoint76
16x6.5 Gbit/s
PCIe µController
CTRL + Power SubsystemVoltage Monitoring
and Control
CTRL + Power SubsystemVoltage Monitoring
and Control
µController
JTAG
Power/CTRL I2CI2C
DB-V5
72
85
JTAG
130
JT
AGP
CIe
2.0
-Bu
s(H
os
tsy
ste
m)
(8L
an
es)
PCIe 2.0 Switch
(48 Lanes)
CT
RL
-I2
C
PW
R-I
2C
13
2
Module 3
Modu
le2
128
USB Controller
USB 2.0-High-Speed
USB-Host, USB-OTG
CTRL Logic
Power, I2C, USB, Ethernet, Operating System, etc.
SystemACE CF
CF Access,
JTAG Configuration
JTAG
System
Monitoring
Voltage,
Tempature
Clock
Sythesis,
Distribution
13
2
Module 4
Mod
ule
11
32
Bro
ad
ca
st/
Co
nfig
[1]
13
2
Module 1
Mod
ule
41
28
13
2
Module
31
32
Bro
ad
ca
st/
Co
nfig
[2]
Bro
ad
ca
st/
Co
nfig
[3]
Bro
ad
ca
st/
Co
nfig
[4]
Module 2
PCIe 8x [4]
PCIe 8x [3]
192x
192
(24
x8
x8)
Cro
ssp
oin
tS
wit
ch
21 x 11 Gbit/s
21 x 11 Gbit/s
21 x 11 Gbit/s
21 x 11 Gbit/s
Oth
er
RA
PT
OR
-XP
ress
Broadcast/Config [1]
Broadcast/Config [2]
Broadcast/Config [4]
Broadcast/Config [3]
JT
AG
JT
AG
JT
AG
PCIe 8x [1]
PCIe 8x [2]
PC
Ie8
x[1
]
PC
Ie8
x[2
]
PC
Ie8
x[3
]
PC
Ie8
x[4
]
Config+Broadcast Logic
Broadcast-Switch, Configuration, etc.
Inter
FPGA
PCIe to Localbus
BridgePCIe 1x
Lo
ca
lbu
s(3
2B
itD
ata
/3
2B
itA
dd
ress)
24 x 11 Gbit/s
CT
RL
-I2C
PW
R-I
2C
CT
RL
-I2
C
PW
R-I
2C
CT
RL
-I2
C
PW
R-I
2C
JTAG
JTAG-
Multiplexer
CTRL-I2C
PWR-I2C
JT
AG
24 x 11 Gbit/s
24 x 11 Gbit/s 24 x 11 Gbit/s
Gigabit Ethernet
PHY
Localbus Logic
Arbiter, MMU, Diagnostics, CLK, etc.
Inte
r
FP
GA
Flash
Memory
DDR2
SDRAM
Memory
Hotplug + Config
Crosspoint-Config
Power Subsystem
µC-Based Power Sequencing, Control,
Monitoring, System StartupGB Ethernet
USB
Compact
Flash
Schematischer Aufbau desRAPTOR-Moduls DB-V5
Anreise mit dem Auto
Anreise mit dem Flugzeug
Anreise mit der Bahn
Kontakt
Verlassen Sie die Autobahn A33 an der Ausfahrt
Paderborn-Elsen. Biegen Sie auf die Bundesstraße B1
und folgen der Beschilderung nach Bad Lippspringe/
Detmold. Nach ca. 1,5 km fahren Sie an der Ausfahrt
Paderborn/Schloss-Neuhaus von der Bundesstraße
B1 ab. An der Ampelkreuzung (Heinz-Nixdorf-Ring,
Dubelohstraße) fahren Sie geradeaus auf den Heinz-
Nixdorf-Ring und biegen an der nächsten Ampel-
kreuzung (Heinz-Nixdorf-Ring, Fürstenallee) links in
die Fürstenallee. Das Heinz Nixdorf Institut liegt auf der
rechten Seite nach ca. 300 m.
Vom Flughafen Paderborn/Lippstadt nehmen Sie die
Buslinie 400/460 in Richtung Paderborn HBF. Vom
Hauptbahnhof fahren Sie mit der Linie 11 in Richtung
Thuner Siedlung bis zur Haltestelle MuseumsForum
(Gesamtfahrzeit ca. 50 Minuten).
Vom Paderborner Hauptbahnhof nehmen Sie den Bus
der Linie 11 Richtung Thuner Siedlung bis zur Halte-
stelle MuseumsForum (Fahrzeit ca. 10 Minuten).
Dr.-Ing. Mario Porrmann
Heinz Nixdorf InstitutSchaltungstechnikFürstenallee 1133102 Paderborn
Tel.: 05251 / 60 6352Fax: 05251 / 60 6351E-mail: [email protected]
Web: www.raptor2000.de
Heinz Nixdorf Institut
So finden sie das
Heinz Nixdorf Institut