글 : 던컨 콕번(Duncan Cockburn), 자일링스 스태프 디자인 엔지니어
duncan.cockburn@xilinx.com / www.xilinx.com

이글에서는비바도(Vivado) IPI(IP Integrator)를사용해CPRI 원격무선헤드디자인에서어떻게자일링스코어를최적화할수있는지살펴본다. 

최신 FPGA-기반 디자인은 다양성 및 수적 측면에서 모두 IP(Intellectual Property) 사용이 갈수록 증가하고 있다. 비바도(Vivado) 디자인 수트의 IPI(IP Integrator) 툴 및 자일링스(Xilinx) 통신 IP는 이러한 IP 블록들을 빠르고 쉽게 연결할 수 있도록 해준다. 

IPI의 뛰어난 기능을 설명하기 위해 무선 RRH(Remote Radio Head) 사례를 살펴보고자 한다. 근거리 안테나가 있는 RRH는 이동통신 네트워크의 한 부분을 차지한다.


▲ 그림 1. 멀티홉 토폴로지 다이어그램
보통은 기지국 송신단에 광통신 업스트림으로 연결되어 있으며, 때로는 다른 RRH에 다운스트림으로 연결되기 때문에 멀티홉 토폴로지로 구현된다(그림 1 참조).
CPRI(Common Public Radio Interface) 프로토콜은 이러한 RRH를 서로 연결하기 위해 널리 사용되고 있다.

이제 하나의 업링크 CPRI 포트와 3개의 다운링크 CPRI 포트를 가지고 있고, 이들이 서로 연결된 디자인을 구현해 보도록 하자. 이 작업의 대부분은 IPI로 수행할 수 있으며, 전체 디자인에서 중요한 컴포넌트를 구성할 수 있게 된다.

이 애플리케이션에 가장 적합한 디바이스로 저전력, 저비용 고성능을 갖춘 킨텍스-7(Kintex-7) 디바이스를 사용할 것이다. 2-스피드 등급의 올 프로그래머블(All Programmable) 킨텍스 FPGA 및 징크(Zynq)-7000 SoC 내의 GTX 트랜시버는 9.8Gbps의 CPRI 라인속도를 사용할 수 있도록 해준다. 


▲ 그림 2. CPRI 스위치 하드웨어 플랫폼
[그림 2]는 IPI로 무엇을 구현하게 되는지 보여주고 있다. 우리는 IP 카탈로그에서 필요한 IP로 블록 디자인과 인스턴스를 생성할 수 있다. CPRI 코어는 표준 자일링스 IP 카탈로그에서 제공되며, 가능한 리소스를 공유하고 IPI로 편리하게 사용할 수 있도록 최적화되어 있다. 스위치는 커스텀 IP이다.

IP 코어 리소스 공유

고객들이 당면하게 되는 문제 중 하나는 다중 IP 인스턴스를 사용할 때 어떻게 효율적으로 리소스를 공유할 것인가 이다. 다수의 통신 IP 코어는 ‘공유 로직’ 기능을 지원한다.

CPRI 코어의 경우, 코어 내에 공유가능 로직 리소스로 IP를 컨피규레이션하거나 이러한 공유 리소스를 누락시킬 수도 있다. 코어에 포함시켰다면, 이는 로직을 제외한 코어와 연결할 수 있도록 필요한 출력을 제공하게 된다. 

특별한 요건을 필요로 하는 사용자는 모든 코어에서 이러한 로직을 제외시키고, 자체적으로 구현하고자 할 것이다. 지금 우리가 시도하는 디자인은 CPRI 코어를 9.8Gbps로 동작하도록 컨피규레이션해야 한다.

이러한 라인 속도를 위해서는 트랜시버 클럭을 위해 LC-tank 기반 오실레이터를 사용해야 한다. 킨텍스-7 디바이스에 있는 트랜시버는 쿼드로 배열되어 있으며, 각 쿼드 트랜시버는 4개의 트랜시버 채널과 하나의 LC-tank 기반 QPLL(Quad Phase-Locked Loop)로 이루어져 있다.


▲ 그림 3. QPLL을 위한 공유 로직 연결
모든 코어는 QPLL과 업링크 클럭킹으로 생성된 클럭을 공유해야 한다. [그림 3]은 공유 로직이 제외되도록 커스터마이즈드된 다운링크 CPRI 코어 상의 적절한 입력 포트와 연결된 공유 로직으로 커스터마이징된 업링크 코어 상의 클럭 출력 포트와 QPLL을 보여준다. 

CPRI 코어 간의 데이터 라우팅

또한 우리는 데이터가 코어 사이에 라우팅되도록 IQ 스위치 및 이더넷 스위치를 예시화했다. 


CPRI 네트워크의 제어 및 매니지먼트 데이터는 이더넷 서브 채널을 통해 전송된다. 이 시스템의 이더넷 스위치는 펌웨어 업데이트 또는 명령어를 원격으로 발생시킬 수 있으며, 어떠한 노드로도 전송할 수 있다. 이러한 상황에서는 완벽한 기능을 갖춘 이더넷 스위치가 필요하지 않기 때문에 이 IP는 가능한 적은 수의 로직 리소스를 사용하도록 설계되었다. 

IQ 스위치는 결정적 지연으로 CPRI 코어 간의 어떠한 IQ 샘플이라도 라우팅할 수 있는 기능을 제공한다. 멀티홉 무선 시스템을 위해 중요한 기능은 링크 지연을 정확하게 측정하는 것이며, CPRI 표준은 이러한 측정을 용이하게 처리할 수 있는 방법을 정의하고 있다.

IPI로 인터페이스 연결 

IPI 버스 인터페이스는 정의된 로직 포트 세트를 IP 상의 특정 물리적 포트에 매핑한다. 만약 가능한 곳마다 인터페이스를 사용한다면, 연결해야 하는 여러 신호들을 소수의 인터페이스로 연결하기 위해 옮겨야 한다.

IP 상의 범용 버스 인터페이스는 AXI4-Lite 및 AXI4-Stream과 같은 ARMⓡAXI 사양을 따른다. 이러한 고도의 추상화는 보다 쉽고 빠르게 디자인에 진입할 수 있도록 해주며, 인터페이스를 위해 DRC(Design Rule Checks)를 활용할 수 있도록 해준다.

비바도 IP Packager는 IPI(IP Integrator) 내에서 자체 IP를 사용할 수 있도록 해주며, 자체 디자인에 인터페이스도 활용할 수 있도록 해준다.

IPI는 인터페이스를 서로 쉽게 연결할 수 있도록 해준다. 인터페이스를 간단히 클릭하면, IPI는 연결할 수 있는 것을 보여준다. 원하는 엔드 포인트와 커넥션 라인을 드래그하면, 연결이 이뤄진다. 이러한 기법을 통해 여러 신호들을 몇 번의 클릭만으로 연결할 수 있다. 


▲ 그림 4. 인터페이스에 대한 이더넷 스위치 기호
[그림 4]는 다수의 AXI4-Stream 인터페이스와 2개의 GMII 인터페이스, AXI4-Lite 인터페이스를 제공하는 이더넷 스위치를 보여주고 있다. 이 스트리밍 인터페이스는 CPRI 코어와 직접 연결할 수 있으며, CPRI 코어 상에서 내부 버퍼링을 할 필요가 없다.

GMII 인터페이스는 이더넷 PHY와 연결할 수 있으며, 엔지니어가 필드에서 네트워크 문제를 디버깅하는데 유용하다. AXI4-Lite 매니지먼트 인터페이스는 어드레스 테이블 매핑 및 어드레스 테이블 에이징 인터벌(Aging Interval)과 같은 다른 컨피규레이션 옵션에 액세스할 수 있도록 해준다. 

계속 이런 방식으로 우리는 IPI 내에서 시스템을 구현하고, 인터페이스를 연결할 수 있다. 가장 효과 있는 진입 방식이 무엇이든 여러분은 유연하게 활용할 수 있다.

또한 인터페이스를 연결하기 위해 GUI를 사용하는 것과 더불어, Tcl 콘솔을 통해 명령어를 직접 만들거나 혹은 스크립트에서 소싱할 것인지를 선택할 수도 있다. GUI로 매번 수행할 때 마다, 해당 명령어가 Tcl 콘솔에 보여진다.

또한 구현이 완료되면 명령어 “write_bd_tcl”로 전체 디자인을 내보낼 수도 있다. 이 명령어는 아무런 사전 준비 없이도 전체 블록 디자인이 생성되도록 소싱할 수 있는 Tcl 파일을 생성하게 되며, 스크립트 구현 플로우 일부로 쉽게 사용할 수 있다.

디자인의 모든 IP는 코어를 호스트 프로세서와 연결할 수 있도록 AXI4-Lite 매니지먼트 인터페이스를 제공한다. 지능형 IPI 구현방법은 연결을 자동화한다.

이러한 메커니즘으로 IPI는 IP 상의 AXI4-Lite 인터페이스가 AXI 버스 인터커넥트와 연결되는지를 인지하게 되며, 적절한 어드레스 범주를 자동으로 설정하고, 버스를 연결한다.

그런 다음, 이 버스를 IPI를 통해 호스트 프로세서와 연결할 수 있다. 이번 경우 호스트 프로세서는 MicroBlaze™이지만, 징크 SoC 시리즈 디바이스를 사용한다면, ARM CPU를 활용할 수 있도록 쉽게 변경이 가능하다.

더 많은 혜택이 다가온다

비바도 IPI(IP Integrator)의 성능은 빠르게 증가하고 있으며, 이러한 성장을 기반으로 훨씬 더 많은 혜택이 실현될 것이다. 올바른 IP로 전체 서브 시스템을 빠르게 조합할 수 있으며, 혜택을 달성할 수 있다.

CPRI 및 이더넷 스위치, IQ 스위치 IP에 대한 보다 자세한 정보는 자일링스 무선 통신 사업부의 Perminder Tumber(permind@xilinx.com)에게 연락하면 된다.