基于TSI578的串行RapidIO交換模塊設(shè)計

摘要：RapidIO互連構(gòu)架是一種基于可靠性的開放式標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于連接多處理器、存儲器和通用計算平臺。Tundra公司的TSI578是第三代交換機(jī)芯片，可支援串行RapidIO的處理器與周邊設(shè)備互連。文中簡要介紹了基于TSI578芯片的RapidIO交換模塊的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，并對一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞：RapidIO；TSI578；交換模塊

0 引言
    RapidIO互連構(gòu)架作為一種基于可靠性的開放式互連協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以其高效率、高穩(wěn)定性、低系統(tǒng)成本等特點，可為通信系統(tǒng)各器件間提供高帶寬、低延時數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。同時，它還擁有支持點對點或點對多點的通信能力，并支持DMA操作和消息傳遞，同時支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而可為數(shù)據(jù)處理性能的穩(wěn)定快速提升提供強(qiáng)有力的保障。Tundra公司的TSI578是第三代交換機(jī)芯片，可支援串列RapidIO的處理器與周邊設(shè)備的互連。該交換芯片可支持80Gb／s的聚合帶寬。借助TSI578系列交換機(jī)，用戶可用較低的成本開發(fā)出功能強(qiáng)大、性能卓越的系統(tǒng)。T-SI578可為設(shè)計人員和架構(gòu)工程師提供極強(qiáng)的伸縮性。
    如何設(shè)計基于RapidIO接口的高速電路的信號完整性性能是關(guān)鍵問題，因此，本文在介紹TSI578硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，也簡要說明了高速電路板的設(shè)計方法，并給出了SRIO信號的眼圖。

1 硬件設(shè)計方案
    本系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示。該平臺以TSI578芯片為核心，同時集成了2片F(xiàn)PGA和一片CPU。其中TSI578可提供8個4X模式的SRIO端口，CPU和2個FPGA分別連接到TSI578的其中一個4X端口上，并通過SRIO實現(xiàn)互連，以對外提供4個4X SRIO接口用于與背板之間的數(shù)據(jù)交換。由于TSI578的應(yīng)用設(shè)計方法是本文側(cè)重介紹的內(nèi)容，因此，下面主要介紹該交換芯片的硬件應(yīng)用設(shè)計方案。

1．1 SRIO交換器件
    TSI578交換機(jī)芯片具有非常高的應(yīng)用伸縮性，可廣泛應(yīng)用于聯(lián)網(wǎng)、無線與視頻基礎(chǔ)架構(gòu)等領(lǐng)域，因此，設(shè)計者可以充分利用配置選件來有效地管理電源需求，從而進(jìn)一步提高性能。TSI578可靈活地支援多達(dá)8個4x mode或16個1xmode的埠，每個埠可配置為1．25Gb／s、2．5Gb ／s或3．125 Gb／s。而且交換機(jī)的所有埠完全獨立，可支援各種寬度與速度配置。
    TSI578具有以下特點：
    ◇伸縮性極強(qiáng)，靈活的埠可支援各種埠寬度與速度，并可提供適用于網(wǎng)狀、光纖與集成系統(tǒng)的單一解決方案；
    ◇有群播功能，可改善分散式處理性能；
    ◇有通信流監(jiān)控功能，可提高性能與光纖管理功能；
    ◇增強(qiáng)的SerDes可最大限度地降低功耗。
1．2 TSI578供電設(shè)計
    TSI578芯片需要3種電源，其中內(nèi)核供電電壓為1．2 V，I／O供電電壓為數(shù)字3．3 V，SERDES供電電壓為模擬3．3 V。由于本模塊沒有對噪聲比較敏感的音頻和射頻等模擬電路，故可以采用DC-DC電路來減少功耗。設(shè)計時可選取凌特IXM4600模塊來分別產(chǎn)生3．3 V和1．2 V。該模塊具有高轉(zhuǎn)換效率、簡單的外圍電路、更小的封裝、低紋波電壓等特點。需要說明的是：TSI578芯片對于上電、斷電時序有著嚴(yán)格的要求，上電的順序依次為1．2 V、數(shù)字3．3 V、模擬3．3 V，斷電的順序依次為模擬3．3 V、數(shù)字3．3 V、1．2 V。本設(shè)計采用Intersil公司的ISL6123來控制TSI578芯片的上電時序，ISL6123芯片通過在相應(yīng)的引腳連接不同容值的電容可控制輸出加電控制信號的時間。
1．3 時鐘設(shè)計
    TSI578芯片需要3個時鐘源，其中一路156．25MHz差分對時鐘輸入(S_CLK_p／n)用來控制信號的傳輸速率，另一路100 MHz共模時鐘信號(P_CLK)用以控制TSI578內(nèi)部寄存器的訪問。另外，由100 MHz的高穩(wěn)晶振產(chǎn)生的時鐘信號經(jīng)過驅(qū)動芯片后，其中一路可提供P_CLK時鐘，另外一路經(jīng)過AD9516芯片產(chǎn)生所需的差分時鐘信號S_CLK_p／n。RapidIO數(shù)據(jù)的傳輸波特率可通過管腳，分別設(shè)置為1．25G、2．5G和3．125G。
1．4 復(fù)位設(shè)計
    外部復(fù)位信號在輸入后，可與手動復(fù)位信號一起作為邏輯門的輸入，邏輯門的輸出連接至FPGA的復(fù)位控制管腳，從FPGA產(chǎn)生的復(fù)位信號可直接提供給TSI578以及其它芯片作為復(fù)位輸入。

2 基于信號完整性的高速電路板設(shè)計
    對于高速電路板來說，信號完整性問題是非常關(guān)鍵的一個問題。信號完整性設(shè)計包括兩個方面，一個是原理圖中的信號完整性設(shè)計，另一個是PCB中的信號完整性設(shè)計。在原理圖設(shè)計中，主要考慮反射和地彈效應(yīng)。對于以上兩個效應(yīng)的處理，可分別采用阻抗匹配和去耦電容兩種方法進(jìn)行處理。為了更好的解決信號完整性問題，通常只局限于原理圖設(shè)計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更多的工作還在PCB的設(shè)計中。PCB中的信號完整性分析包括布線前仿真和布線后仿真，前仿真是指在PCB布局、布線之前，對原理圖中的高速信號進(jìn)行仿真，以考察信號在虛擬的疊層結(jié)構(gòu)與布線參數(shù)下的傳輸效果，幫助設(shè)計者優(yōu)化出一套適合當(dāng)前電路的PCB疊層結(jié)構(gòu)、布線阻抗與高速設(shè)計規(guī)則(線寬、線長、間距等)。后仿真則提供批處理仿真功能，它對PCB進(jìn)行整板或關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互式仿真分析，輸出精確的信號波形、電磁輻射頻譜或眼圖，設(shè)計者可以修改布線參數(shù)后再仿真，從而發(fā)現(xiàn)并改善不合理的布線。本設(shè)計中的SRIO信號是關(guān)鍵的高速信號，根據(jù)PCB仿真結(jié)果設(shè)計出的PCB疊層結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)則如表1和表2所列。

3 試驗結(jié)果
    依據(jù)本方案設(shè)計的交換模塊經(jīng)長期試驗，運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸帶寬高。圖2所示是示波器測量的信號工作于2．5Gb／s(見圖2(a))和3．125Gb／s(見圖2(b))時的眼圖。從圖2可看出，該接口即使在3．125Gb／s模式下工作，仍然能夠保持很好的信號完整性，可以滿足SRIO信號的判決條件。

4 結(jié)束語
    本文介紹了基于TSI578芯片的RapidIO交換模塊的設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，并在電路設(shè)計中運用仿真技術(shù)確保了高速電路設(shè)計的正確性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于RapidIO接口的模塊會被越來越多的使用，交換模塊將成為RapidIO互連構(gòu)架中交換模塊系統(tǒng)設(shè)計的一種重要組件模塊，并在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。