1. 前言
市场的变化、用户对应用体验要求的不断提升，对以无线通信、有线网络、广播、视频、成像、医疗设备和国防为代表的高性能嵌入式系统提出了越来越多的功能和性能要求，改变了高性能嵌入式系统的设计范式。例如，随着 LTE、WiMAX 等移动通信标准升级的加快，节能环保社会的需求，如何降低研发生产成本，降低建设、运营和升级成本，就成为设备商和运营商所面临的共同课题。对此，能够集成多标准的软件无线电基站，实现了不同制式不同形态基站采用相同模块，GSM、UMTS、WiMAX 等多标准共基站，从而使基站实现了多标准平滑演进，从现有 TD-SCDMA、WCDMA 等 3G 标准平滑升级到 HSPA、LTE 甚至 IMT-A 等后 3G 标准。
高性能平台 FPGA，正是多模软件无线电基站的最佳构建模块。Xilinx 最新发布的 65nm 平台 FPGA 中的最后一个系列 Virtex-5 FXT，则以大量先进技术和全新的设计有效增加了系统产品的生命周期并满足了 3G、LTE、IMT-Advanced 等移动通信标准和高性能处理设备对更多功能、性能、功耗和综合成本的苛刻要求。
2. 最高性能的嵌入式处理器模块
Virtex-5 FXT 平台提供多达两个嵌入标准 PowerPC 440 处理器，每个处理器均集成 32KB 指令和 32KB 数据缓存，在 550MHz 时钟频率下共具有高达 2200DMIPS 的处理性能。集成新的 5x2 纵横交换开关式处理器互连架构将PowerPC440 模块与高速外设接口紧密耦合，包括专用的主/从处理器局部总线接口、支持独立发送/接收通道的四个 DMA 端口，以及一个支持高性能、低延迟点对点连接的专用存储器总线接口，支持由 DMA 引导的并发 I/O 和存储器访问，极大地提高了处理器的吞吐性能。表一是该嵌入处理器的网络吞吐性能实例。
表一：嵌入 PowerPC 处理器在 Virtex-4、Virtex-5 FPGA中的网络吞吐性能
网络基准（IPerf） Virtex-4 FX Virtex-5 FXT
嵌入处理器 PowerPC405 PowerPC440
时钟 450MHz 550MHz
TCP 发送（1500 MTU） 188 Mbps 519 Mbps
TCP 接收（1500 MTU） 270 Mbps 728 Mbps

利用 PowerPC 440 嵌入式处理器模块，设计人员可快速方便地实现高级可扩展嵌入式处理应用。先进的 PLB 架构支持高吞吐量 128 位接口，可使系统瓶颈最小化，从而将处理器、纵横交换开关式构造以及软 IP 逻辑之间的数据传输能力最大化。同时，在无线物理层信号处理、视频处理以及浮点运算等应用中，增强的高性能辅助处理器控制单元（APU）还为专用协处理器或用户自定义指令提供额外的连接能力。处理器和 FPGA 计算及 DSP 资源的紧密耦合，极大地方便了 LTE 基站系统扁平化趋势中物理层信号处理和 RRM 层协议处理紧密配合的需要。

3. 更大容量、更高性能
尽管现代DSP的工作时钟频率已经提升到 1GHz 量级，但还是无法满足日益复杂的高端系统应用对实时性计算的要求，算法复杂度与 DSP 的性能之间存在着落差。LTE、WiMAX、IMT-Advanced 等未来移动通信系统中采用的 MIMO、LDPC 等复杂的无线链路算法，则使得这种落差呈进一步扩大态势。
传统上，这一落差是由专用信号处理 ASIC 来进行弥补。但 ASIC 具有较长的开发周期和惊人的 NRE 费用，加上技术和标准加快变化速度等市场因素，使得 ASIC 越来越难以满足客户快速上市、多标准演进的需求。而 FPGA凭借高度的灵活性、性能的提升以及功耗的改善，尤其是采用 65nm 制程高性能 FPGA 的推出，加快了 FPGA 向这块 DSP 无法覆盖的细分市场渗透的速度。
Xilinx 的 Virtex-5 系列采用了突破性的 ExpressFabric新架构，使用业界首个真正的 6 独立输入 LUT 结构，实现了距离最短、速度最快的布线，将性能提升了 2 个速度级别同时动态功耗降低了 35%，面积缩小了 45%，也使总逻辑单元数多达 330，000 个。Virtex-5 FXT FPGA 提供了高达 16.4 Mbit 的灵活嵌入式 Block RAM，以高达 550 MHz 的工作速率运行，能有效地存储和缓冲各种运算数据。
所有 Virtex-5 系列器件都提供了大量增强嵌入式DSP48E 块，可以满足多通道、高性能 DSP 算法加速的需要。DSP48E 中内置 25 x 18 位乘法器及 MAC，可产生 48 位全精度结果和高效单精度浮点运算，实现更大动态范围、更高精度而无需消耗逻辑结构资源。面向信号处理的SXT 平台上的 Slice 多达 1056 个，可以工作在 550 MHz，实现高达 528GMACs 的乘法累加性能和超过 190 GFLOPS 的单精度浮点 DSP 性能。
4. 更高的 I/O 速率，更多 IO 标准
现代高性能嵌入式系统对差分或单端并行 I/O 也有越来越高的性能要求。如 LTE 通信系统中采用的 MIMO 技术可能需要系统 FPGA 同 TI 公司串行 LVDS 输出的 4 通道14bit 125 MSPs ADC 芯片互连，其单差分对最高数据率可能高达 1Gbps，对 FPGA 接口提出了很高的要求。而通信系统中大量采用 DDR2、DDR3、QDR2 等高时钟速率存储器实现对高速信号和分组数据的缓存处理，也需要 FPGA提供有效的互连接口。
传统无线基站和嵌入式信号处理系统中，多个 FPGA及信号处理器件主要通过总线或用户专用互连结构。但总线结构存在性能限制，难以满足高性能系统的需要；而专用系统则难以满足互连互通的需要。因此，基于串行交换互连，以 serial RIO、PCIexpress、GE 为代表的嵌入式互连网络逐步进入无线基站和高性能处理系统。而处于多模基站和系统集成平台中心位置的 FPGA，需要直面高速串行互连的需求。
为满足不断增长的对更高 I/O 带宽的需求，Virtex-5 FXT 平台集成了高性能、低功耗的 GTX 收发器，可支持 500Mbps 至 6.5Gbps 的数据传输速率。可支持 XAUI、Fibre Channel、SONET、Serial RapidIO、PCI Express 2.0、Interlaken 等标准的各种应用，满足芯片、板卡、背板、系统间的各种互连需要。GTX 收发器在 6.5Gbps 速率下每通道典型功率消耗少于 200mW，同时还集成了许多高级特性，如在线性均衡和发送预加重补偿之外，还集成了四抽头 DFE 接收均衡，能够提高更高线速率时的信号完整性，在恶劣通道上实现可靠的接收。新的收发器模块还包括了一个独特的多码物理编码子层，能够支持 64B/66B 和64B/67B 编码/解码方案，可为每个通道节约数以千计的逻辑单元。
Virtex-5 FXT 平台内置多达 4 个增强型 PCI Express 端点模块，可以实现处理层、数据链路层和物理层功能，支持 1、2、4 或 8 通道，当与 GTP 收发器一起使用时，能 够提供完全通过 PCI-SIG 严格的兼容性测试的 PCIe 端点功能。Virtex-5 FXT 平台包含多个标准的嵌入式10/100/1000 Mbps 内置式以太网 MAC 硬 IP 模块，为每个以太网 MAC 释放大约 1800 个逻辑单元，增加了用户可用逻辑资源，减少了所需要外部元件数量，并降低了系统功耗；所提供的可编程 PHY 接口既可支持标准的 MII/GMII，也可支持使用 GTX 时的 SGMII 接口；当使用 GTX收发器时，可以为 1000 Base-X 实现完美的单芯片解决方案而无需外部 PHY。Virtex- 5 通过集成三模以太网 MAC 模块并配合低功耗的集成 RocketIO 收发器的方式，大大降低了系统连入以太网的总系统成本。
这样，集成的高速收发器、通过预验证 PCI Express、三模以太网模块及其他 IP，可以轻松快速满足新一代通信、信号处理、图形、存储、网络交换系统中创建板级、背板级和系统级的互连的需要。也将设计风险降至最低。因此，Xilinx 在 Virtex 5 系列中选择的硬 IP 方式可以有效提升用户逻辑使用率和降低系统功耗。可以说，65nm 的Virtex-5 系统连接功能技术为在芯片、电路板和盒之间建立高速、高带宽连接实现了功耗最低的解决方案。
5. 实例
鉴于 Virtex-5 系列 FPGA 的大量优点，爱立信、中兴、华为、Mercury、VMETRO、DiNI、Sundance 等公司在两年前就已经开始实际评估使用 Virtex-5 系列 FPGA，而评估结果则促使更多厂商迅速转向 Virtex-5 系统平台 FPGA。例如，得益于 Virtex-5 LX 系列的超大逻辑和存储容量，DiNI 的 DN9000K10 板采用 16 片 Virtex-5 LX330 和 1 片 LX50T 实现高达 3200 万门级的 ASIC 验证任务。VMETRO 以 Virtex-5 SX95T 和 FX110T 为核心构建高性能 VPX 处理板，改变了在高性能处理板中 FPGA 只能做 PowerPC 处理器配角的状况，见图二。
6. 结论
从 Virtex-4 系列开始，Xilinx 就实现了基于同样技术但分别针对不同领域进行了优化的平台，包含 PowerPC440 处理器的 Virtex-5 FXT 的推出，使用户同样可以根据需要选择最佳性价比的平台系列。跨平台引脚兼容性使用户能够将针对 Virtex-5 LXT 和 SXT 器件的设计移植到 Virtex-5 FXT 器件，充分利用其更高的嵌入式处理性能和串行连接功能。
以 Virtex-5 FXT 为代表的平台 FPGA 已经在高性能嵌入式系统中逐步代替 ASIC 的位置，并不断侵蚀 DSP 和嵌入式处理器的生存空间，广泛应用到网络、电信、存储、服务器、计算、无线、广播、视频、成像、医疗、工业和军用等诸多高性能领域，成为高性能嵌入式系统理想的终极系统集成平台。