串行 RapidIO: 高性能嵌入式互連技術(shù)

摘要

   串行RapidIO針對高性能嵌入式系統(tǒng)芯片間和板間互連而設計，它將是未來十幾年中嵌入式系統(tǒng)互連的最佳選擇。
   本文比較RapidIO和傳統(tǒng)互連技術(shù)的優(yōu)點；介紹RapidIO協(xié)議架構(gòu)，包格式，互連拓撲結(jié)構(gòu)以及串行RapidIO物理層規(guī)范。介紹串行RapidIO在無線基礎設施方面的應用。
RapidIO 與傳統(tǒng)嵌入互連方式的比較

  隨著高性能嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，芯片間及板間互連對帶寬、成本、靈活性及可靠性的要求越來越高，傳統(tǒng)的互連方式，如處理器總線、PCI總線和以太網(wǎng)，都難以滿足新的需求 。

   處理器總線主要用作外部存儲器接口，如德州儀器(TI) C6000系列DSP的外部存儲器接口，可支持外接同步SDRAM、SBSRAM及FIFO，也可支持異步SRAM、FLASH等。外部存儲器接口也可用作與板內(nèi)FPGA或ASIC芯片互連，這種情況下，F(xiàn)PGA或ASIC模擬一個DSP支持的存儲器接口，DSP則把FPGA或ASIC當作存儲器來訪問。這類同步接口帶寬可達10Gbps，如德州儀器TMS320C6455 DSP的DDR2接口最大帶寬為17.066Gbps，SBSRAM接口最大帶寬為8.533Gbps。然而，這種接口也存在一些局限性：

   1. 接口管腳多，硬件設計困難。常見的DDR2接口有70～80個管腳；
   2. 只能用于板內(nèi)互連，無法用于板間互連；
   3. 不是點對點的對等互連，DSP始終是主設備，其它器件只能做從設備。

   PCI是廣泛用于計算機內(nèi)器件互連的技術(shù)。傳統(tǒng)PCI技術(shù)也采樣類似于上述存儲器接口的并行總線方式，如TMS320C6455 DSP的PCI接口，有32bits數(shù)據(jù)總線，最高時鐘速度為66MHz，共有42個管腳。最新的串行PCI Express技術(shù)采用與串行RapidIO（SRIO， Serial RapidIO）類似的物理層傳輸技術(shù)，使得帶寬達到10Gbps左右。但由于其主要的應用仍是計算機，而且為了兼容傳統(tǒng)PCI技術(shù)，使得它在嵌入式設備方面的應用具有一定的局限性，如不支持點對點對等通信等。
眾所周知，以太網(wǎng)是使用最廣泛的局域網(wǎng)互連技術(shù)，它也被擴展應用到嵌入式設備互連，但它的局限性也是顯而易見的：

   1. 不支持硬件糾錯，軟件協(xié)議棧開銷較大；
   2. 打包效率低，有效傳輸帶寬因此而減?。?br />   3. 只支持消息傳輸模式，不支持對對端設備的直接存儲器訪問(DMA, Direct Memory Access)。

針對嵌入式系統(tǒng)的需求以及傳統(tǒng)互連方式的局限性，RapidIO標準按如下目標被制定：

   1. 針對嵌入式系統(tǒng)機框內(nèi)高速互連應用而設計。
   2. 簡化協(xié)議及流控機制，限制軟件復雜度，使得糾錯重傳機制乃至整個協(xié)議棧易于用硬件實現(xiàn)。
   3. 提高打包效率，減小傳輸時延。
   4. 減少管腳，降低成本。
   5. 簡化交換芯片的實現(xiàn)，避免交換芯片中的包類型解析。
   6. 分層協(xié)議結(jié)構(gòu)，支持多種傳輸模式，支持多種物理層技術(shù)，靈活且易于擴展。

圖1展示了RapidIO互連在嵌入式系統(tǒng)中的應用。

圖1 RapidIO在嵌入式系統(tǒng)中的應用
表1總結(jié)比較了的三種帶寬能達到10Gbps的互連技術(shù)：以太網(wǎng)，PCI Express和串行RapidIO，從中可以看出串行RapidIO是最適合高性能嵌入式系統(tǒng)互連的技術(shù)。
表1 10G級互連技術(shù)比較
   軟件實現(xiàn)TCP/IP 協(xié)議棧的以太網(wǎng)  4x PCI Express  4x SRIO  備注
軟件開銷  高  中  低  SRIO 協(xié)議棧簡單，一般都由硬件實現(xiàn)，軟件開銷很小
硬件糾錯重傳  不支持  支持  支持  
傳輸模式  消息  DMA  DMA，消息  
拓撲結(jié)構(gòu)  任意  PCI樹  任意  SRIO支持直接點對點或通過交換器件實現(xiàn)的各種拓撲結(jié)構(gòu)
直接點對點對等互連  支持  不支持  支持  SRIO互連雙方可對等的發(fā)起傳輸。
傳輸距離  長  中  中  SRIO針對嵌入式設備內(nèi)部互連，傳輸距離一般小于1米
數(shù)據(jù)包最大有效載荷長度  1500字節(jié)  4096字節(jié)  256字節(jié)  嵌入式通信系統(tǒng)對實時性要求高，SRIO小包傳輸可減少傳輸時延
打包效率 (以傳輸256字節(jié)數(shù)據(jù)為例)  79% (TCP包)  82%  92~94%  打包效率是有效載荷長度與總包長的比率。SRIO支持多種高效包格式。
串行RapidIO協(xié)議

RapidIO行業(yè)協(xié)會成立于2000年，其宗旨是為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可靠的，高性能，基于包交換的互連技術(shù)。RapidIO協(xié)議的簡要發(fā)展歷史是：

   1. 2001年初，最初的標準被發(fā)布
   2. 2002年6月，1.2版標準發(fā)布
   3. 2005年6月，1.3版標注發(fā)布

  串行RapidIO是物理層采用串行差分模擬信號傳輸?shù)腞apidIO標準。SRIO 1.x 標準支持的信號速度為1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz；正在制定的RapidIO 2.0標準將支持5GHz、6.25GHz.

  目前，幾乎所有的嵌入式系統(tǒng)芯片及設備供應商都加入了RapidIO行業(yè)協(xié)會。德州儀器(TI) 2001年加入該組織，2003年成為領(lǐng)導委員會成員。2005年底，德州儀器(TI)推出第一個集成SRIO（Serial RapidIO）的DSP，后來又陸續(xù)推出共5款支持SRIO的DSP，這使得RapidIO的應用全面啟動。
RapidIO協(xié)議結(jié)構(gòu)及包格式[!--empirenews.page--]

  為了滿足靈活性和可擴展性的要求，RapidIO協(xié)議分為三層：邏輯層、傳輸層和物理層。圖2說明了RapidIO協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)。

圖2 RapidIO協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

   邏輯層定義了操作協(xié)議； 傳輸層定義了包交換、路由和尋址機制；物理層定義了電氣特性、鏈路控制和糾錯重傳等。

   象以太網(wǎng)一樣，RapidIO也是基于包交換的互連技術(shù)。如圖3所示，RapidIO包由包頭、可選的載荷數(shù)據(jù)和16bits CRC校驗組成。包頭的長度因為包類型不同可能是十幾到二十幾個字節(jié)。每包的載荷數(shù)據(jù)長度不超過256字節(jié)，這有利于減少傳輸時延，簡化硬件實現(xiàn)。

圖3 RapidIO包格式

上述包格式定義兼顧了包效率及組包/解包的簡單性。RapidIO交換器件僅需解析前后16bits，以及源/目地器件ID，這簡化了交換器件的實現(xiàn)。
邏輯層協(xié)議

邏輯層定義了操作協(xié)議和相應的包格式。RapidIO支持的邏輯層業(yè)務主要是：直接IO/DMA （Direct IO/Direct Memory Access）和消息傳遞（Message Passing）。

直接IO/DMA模式是最簡單實用的傳輸方式，其前提是主設備知道被訪問端的存儲器映射。在這種模式下，主設備可以直接讀寫從設備的存儲器。直接 IO/DMA在被訪問端的功能往往完全由硬件實現(xiàn)，所以被訪問的器件不會有任何軟件負擔。從功能上講，這一特點和德州儀器DSP的傳統(tǒng)的主機接口 (HPI, Host Port Interface)類似。但和HPI口相比，SRIO（Serial RapidIO）帶寬大，管腳少，傳輸方式更靈活。

對上層應用來說，發(fā)起直接IO/DMA傳輸主要需提供以下參數(shù)：目地器件ID、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)在目地器件存儲器中的地址。

直接IO/DMA模式又可進一步分為以下幾種傳輸格式：

   1. NWRITE: 寫操作，不要求接收端響應。
   2. NWRITE_R: 帶響應的NWRITE（NWRITE with Response），要求接收端響應。
   3. SWRITE：流寫（Stream Write），數(shù)據(jù)長度必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，不要求接收端響應。
   4. NREAD: 讀操作。

SWRITE是最高效的傳輸格式；帶響應的寫操作或讀操作效率則較低，一般只能達到不帶響應的傳輸?shù)男实囊话搿?br />消息傳遞（Message Passing）模式則類似于以太網(wǎng)的傳輸方式，它不要求主設備知道被訪問設備的存儲器狀況。數(shù)據(jù)在被訪問設備中的位置則由郵箱號（類似于以太網(wǎng)協(xié)議中的端口號）確定。從設備根據(jù)接收到的包的郵箱號把數(shù)據(jù)保存到對應的緩沖區(qū)，這一過程往往無法完全由硬件實現(xiàn)，而需要軟件協(xié)助，所以會帶來一些軟件負擔。
對上層應用來說，發(fā)起消息傳遞主要需提供以下參數(shù)：目地器件ID、數(shù)據(jù)長度、郵箱號。

表2比較了直接IO/DMA和消息傳遞模式。
表2 直接IO/DMA和消息傳遞的對比
   直接IO/DMA  消息傳遞
主機可直接訪問從機存儲器？  可以  不可以
主機需要知道從機存儲器映射？  需要  不需要
數(shù)據(jù)尋址方式  存儲器地址  郵箱號
支持的數(shù)據(jù)訪問方式  讀/寫  寫
從機軟件負擔  無  有
傳輸層協(xié)議

RapidIO是基于包交換的互連技術(shù)，傳輸層定義了包交換的路由和尋址機制。[!--empirenews.page--]

RapidIO網(wǎng)絡主要由兩種器件，終端器件（End Point）和交換器件（Switch）組成。終端器件是數(shù)據(jù)包的源或目的地，不同的終端器件以器件ID來區(qū)分。RapidIO支持8 bits 或 16 bits器件ID，因此一個RapidIO網(wǎng)絡最多可容納256或65536個終端器件。與以太網(wǎng)類似，RapidIO也支持廣播或組播，每個終端器件除了獨有的器件ID外，還可配置廣播或組播ID。交換器件根據(jù)包的目地器件ID進行包的轉(zhuǎn)發(fā)，交換器件本身沒有器件ID。

RapidIO的互連拓撲結(jié)構(gòu)非常靈活，除了通過交換器件外，兩個終端器件也可直接互連。以德州儀器(TI)的TMS320C6455 DSP為例，它有4個3.125G的SRIO口，它可支持的拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 RapidIO支持靈活多樣的拓撲結(jié)構(gòu)
物理層協(xié)議

RapidIO 1.x 協(xié)議定義了以下兩種物理層接口標準：

   1. 8/16 并行LVDS協(xié)議
   2. 1x/4x 串行協(xié)議 (SRIO)

  并行RapidIO由于信號線較多（40～76）難以得到廣泛的應用，而1x/4x串行RapidIO僅4或16個信號線，逐漸成為主流，所以本文僅介紹串行RapidIO。

  串行RapidIO基于現(xiàn)在已廣泛用于背板互連的SerDes（Serialize Deserialize）技術(shù)，它采用差分交流耦合信號。差分交流耦合信號具有抗干擾強、速率高、傳輸距離較遠等優(yōu)點。差分交流耦合信號的質(zhì)量不是由傳統(tǒng)的時序參數(shù)來衡量，而是通過眼圖來衡量，眼圖中的“眼睛”張得越開則信號質(zhì)量越好。圖5是一個典型的串行RapidIO信號的眼圖。

圖5 串行RapidIO信號眼圖

差分信號的強弱由一對信號線的電壓差值表示，串行RapidIO協(xié)議規(guī)定信號峰－峰值的范圍是200mV－2000mV。信號幅度越大，則傳輸距離越遠，RapidIO協(xié)議按信號傳輸距離定義兩種傳輸指標：

   1. 短距離傳輸(Short Run)，<=50厘米，主要用于板內(nèi)互連，推薦的發(fā)送端信號峰－峰值為500mV－1000mV
   2. 長距離傳輸(Long Run)，>50厘米，主要用于板間或背板互連，推薦的發(fā)送端信號峰－峰值為800mV－1600mV

   為了支持全雙工傳輸，串行RapidIO收發(fā)信號是獨立的，所以每一個串行RapidIO口由4根信號線組成。標準的1x/4x 串行RapidIO接口，支持四個口，共16根信號線。這四個口可被用作獨立的接口傳輸不同的數(shù)據(jù)；也可合并在一起當作一個接口使用，以提高單一接口的吞吐量。

德州儀器TMS320C6455 DSP上集成了標準的1x/4x串行RapidIO接口，如圖6所示。

圖6德州儀器TMS320C6455 DSP 1x/4x 串行RapidIO接口框圖[!--empirenews.page--]

發(fā)送時，邏輯層和傳輸層將組好的包經(jīng)過CRC編碼后被送到物理層的FIFO中，“8b/10b編碼”模塊將每8bit數(shù)據(jù)編碼成10bits數(shù)據(jù)，“并/ 串轉(zhuǎn)換”模塊將10bits并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行bits，發(fā)送模塊把數(shù)字bit轉(zhuǎn)換成差分交流耦合信號在信號線上發(fā)送出去。這里的8b/10編碼的主要作用是：

   1. 保證信號有足夠的跳變，以便于接收方恢復時鐘。串行RapidIO沒有專門的時鐘信號線，接收端靠數(shù)據(jù)信號的跳變恢復時鐘。所以需要把信號跳變少的 8bits數(shù)據(jù)(如全0或全1)編碼成有一定跳變的10bits數(shù)據(jù)。另外，也使得總體數(shù)據(jù)中0和1的個數(shù)均衡，以消除直流分量，保證交流耦合特性；
   2. 8b/10編碼可擴大符號空間，以承載帶內(nèi)控制符號。10bits能表示1024個符號，其中256個表示有效的8bits數(shù)據(jù)，剩下的符號中的幾十個被用作控制符號?？刂品柨杀挥米靼指舴憫獦酥?，或用于鏈路初始化，鏈路控制等功能；
   3. 8b/10編碼能實現(xiàn)一定的檢錯功能。1024個符號中，除了256個有效數(shù)據(jù)符號和幾十個控制符號外，其它符號都是非法的，接收方收到非法符號則表示鏈路傳輸出錯。

   接收的過程則正好相反，首先接收方需要根據(jù)數(shù)據(jù)信號的跳變恢復出時鐘，用這個時鐘采樣串行信號，將串行信號轉(zhuǎn)換為10bits的并行信號，再按8b/10b編碼規(guī)則解碼得到8bits數(shù)據(jù)，最后做CRC校驗并送上層處理。

    數(shù)據(jù)被正確的接收時，接收端會發(fā)送一個ACK響應包給發(fā)送端；如果數(shù)據(jù)不正確（CRC錯或非法的10bits符號），則會送NACK包，要求發(fā)送方重傳。這種重傳糾錯的功能由物理層完成，而物理層功能往往由硬件實現(xiàn)，所以不需要軟件干預。

   串行RapidIO支持的信號速率有三種：1.25GHz，2.5GHz，3.125GHz。但由于8b/10b編碼，其有效數(shù)據(jù)速率分別為：1Gbps, 2Gbps, 2.5Gbps。 4個1x端口或一個4x端口支持的最高速率為10Gbps。
串行RapidIO在無線基礎設施上的應用

   無線基礎設施如基站、媒體網(wǎng)關(guān)等，是典型的高性能嵌入式通信系統(tǒng)，它們對互連的帶寬、時延、復雜度、靈活性、可靠性都有非常高的要求。而串行RapidIO正是滿足這些要求的最佳選擇。

以無線基站為例，在SRIO出現(xiàn)之前，無線基站的基帶處理的典型框圖如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)無線基站基帶處理框圖

  在傳統(tǒng)的基站中，DSP與ASIC或FPGA之間的互連一般用外部存儲器接口EMIF(External Memory Interface)；DSP之間或DSP與主機之間一般用HPI(Host Port Interface)或PCI互連。它們的主要缺點是：帶寬小；信號線多；主從模式接口，不支持對等傳輸。另外，DSP不能直接進行背板傳輸。

  使用SRIO（Serial RapidIO）則可有效的解決這些問題，大大提高無線基站的互連性能。圖8顯示了一種無線基站基帶互連框圖。在這里，SRIO實現(xiàn)了大部分器件之間的互連，甚至可支持DSP進行直接背板傳輸。

圖8 SRIO提高無線基站互連性能

   通過SRIO交換器件互連可以進一步提高基帶處理的靈活性，圖9顯示了一種基帶SRIO交換互連的框圖。這種互連有利于實現(xiàn)先進的基帶處理資源池架構(gòu)，數(shù)據(jù)可被送到任何一個通過SRIO交換器互連的處理器中，從而達到各個處理器的負載均衡，更加有效的利用系統(tǒng)的整體處理能力。

圖9 SRIO交換為無線基站基帶處理提供更大的靈活性

  綜上所述，對嵌入式系統(tǒng)尤其是無線基礎設施，串行RapidIO是最佳的互連技術(shù)。高達10Gbps的帶寬、低時延和低軟件復雜度滿足了飛速發(fā)展的通信技術(shù)對性能的苛刻需求；串行差分模擬信號技術(shù)滿足了系統(tǒng)對管腳數(shù)量的限制，及對背板傳輸?shù)男枨?；靈活的點對點對等互連、交換互連，和可選的 1.25G/2.5G/3.125G三種速度能滿足多種不同應用的需求。

   隨著串行RapidIO技術(shù)的發(fā)展成熟，以及越來越多的廠商的支持，串行RapidIO技術(shù)必將成為高性能嵌入式互連的主流技術(shù)。