串行RapidIO交換技術(shù)

摘要 高性能嵌入式信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)芯片間及板間互聯(lián)的帶寬、成本、靈活性及可靠性的要求不斷提高而傳統(tǒng)的互聯(lián)方式無法滿足日益增長(zhǎng)的性能要求?；诖吮尘埃闹醒芯苛水?dāng)前嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)RapidIO的組網(wǎng)技術(shù)及交換原理，給出了一種基于Tsi578芯片的可重構(gòu)分布式并行處理互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案。經(jīng)驗(yàn)證，交換模塊性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的可重構(gòu)。
關(guān)鍵詞 RapidIO協(xié)議；系統(tǒng)互聯(lián)；實(shí)時(shí)信號(hào)處理；數(shù)據(jù)交換

    當(dāng)前，集成工藝水平的飛速發(fā)展使得現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)、數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Proeessor，DSP)以及專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等處理器內(nèi)核性能得到了較大的提升，表征處理器處理能力的時(shí)鐘頻率呈指數(shù)增長(zhǎng)。于此同時(shí)隨著語音數(shù)字輸入、圖像處理和陣列雷達(dá)等需大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求的出現(xiàn)，僅靠單個(gè)處理器無法滿足大數(shù)據(jù)量的高速實(shí)時(shí)處理要求，分布式并行處理成為提高系統(tǒng)性能的有效解決途徑，已廣泛應(yīng)用于高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域。
    影響分布式并行處理系統(tǒng)性能的因素主要包括：處理器的性能、處理單元的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及并行算法和任務(wù)的分配。在處理器性能得到保證以及并行算法和任務(wù)分配確定的前提下，處理單元之間的互聯(lián)方式成為系統(tǒng)性能提升的瓶頸。傳統(tǒng)并行總線由于其自身缺陷已無法滿足系統(tǒng)的互聯(lián)通信需求，新興的高速串行傳輸方式取代并行成為互聯(lián)通信的主流。其中，串行RapidIO(Serial RapidIO)以其低引腳數(shù)，基于報(bào)文
交換的互聯(lián)體系結(jié)構(gòu)，高帶寬、低延時(shí)、高效率及高可靠性等優(yōu)點(diǎn)成為嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)的國際標(biāo)準(zhǔn)，為高性能嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)提供了良好的解決方案。文中討論的重點(diǎn)是分析RapidIO的交換原理并完成了一種基于IDT公司Tsi578芯片的基于交叉開關(guān)的可重構(gòu)組網(wǎng)方案的設(shè)計(jì)。

1 RapidIO協(xié)議概述
    RapidIO是一種開放的嵌入式互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，由RapidIO行業(yè)協(xié)會(huì)支持開發(fā)，并指導(dǎo)其構(gòu)架的未來發(fā)展方向。RapidIO技術(shù)最初是由Freescale和Mercury共同研發(fā)的一項(xiàng)互連技術(shù)，既可作為處理器的前端總線，用與處理器之間的互連，還可作為系統(tǒng)級(jí)互連的高效前端總線而使用。19 99年完成第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，當(dāng)前最新版本為Version2．0。RapidIO已經(jīng)成為電信，通訊以及嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的芯片與芯片之間，板與板之間的背板互連技術(shù)的生力軍。
    RapidIO操作是基于請(qǐng)求和響應(yīng)事物的。包是系統(tǒng)中端點(diǎn)器件間的基本通信單元。發(fā)起器件或主控器件產(chǎn)生一個(gè)請(qǐng)求事物，該事物被發(fā)送至目標(biāo)器件。目標(biāo)器件產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)事物返回至發(fā)起器件來完成該次操作。RapidIO互聯(lián)定義包括兩類技術(shù)：面向高性能微處理器及系統(tǒng)互聯(lián)的并行接口；面向串行背板、DSP和相關(guān)串行控制平面應(yīng)用的串行接口。與以太網(wǎng)協(xié)議類似，RapidIO也采用分層結(jié)構(gòu)，由邏輯層、傳輸層和物理層構(gòu)成。圖1所示為其協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)。邏輯層規(guī)范位于最高層，定義了協(xié)議和包的格式，為端點(diǎn)器件發(fā)起和完成事物提供必要的信息。傳輸層規(guī)范位于中間層，定義RapidIO地址空間和在端點(diǎn)器件間傳輸所需的路由信息。物理層規(guī)范在整個(gè)分層結(jié)構(gòu)的底層，包括器件接口的細(xì)節(jié)，如包傳輸機(jī)制、流量控制、電氣特性和低級(jí)錯(cuò)誤管理等。

    RapidIO最明顯的一個(gè)特點(diǎn)就是采用了單一的公用傳輸層規(guī)范來相容、匯聚不同的邏輯層和物理層，單一的傳輸層實(shí)體增強(qiáng)了RapidIO的適應(yīng)性，方便互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。
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2 RapidIO交換原理
    RapidIO傳輸層的包格式被設(shè)計(jì)為獨(dú)立于交換結(jié)構(gòu)，如此系統(tǒng)互聯(lián)就可以采用特定應(yīng)用所需的任何技術(shù)。通常RapidIO是圍繞交換機(jī)來組織的，除了交換機(jī)以外RapidIO網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)基本結(jié)構(gòu)是端點(diǎn)(Endpoints)。端點(diǎn)是數(shù)據(jù)包的發(fā)送者和接受者，交換機(jī)用來對(duì)端點(diǎn)之間傳送數(shù)據(jù)包。RapidIO使用器件ID唯一地識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的所有器件，幾乎可以支持任何系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。器件ID內(nèi)部不包含關(guān)于器件具體位置的信息?；ヂ?lián)器件負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)器件的具體位置并且通過目標(biāo)器件ID轉(zhuǎn)發(fā)包。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)(System Discovery)階段找到器件在系統(tǒng)中的位置。雖然交換機(jī)不知道器件在系統(tǒng)中的確切位置，但通過編程可以使交換機(jī)理解器件在系統(tǒng)中所處的方位。當(dāng)器件位置改變時(shí)——可能發(fā)生熱插拔(Hot Swap)或路徑故障情況下，只需重新配置交換機(jī)就可以獲得新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
    RapidIO中，器件與器件問的通信是通過發(fā)送包含源和目的器件ID包進(jìn)行的。器件ID是位于包頭的8位或16位字段，交換芯片通過器件ID將包轉(zhuǎn)發(fā)到最終目的。交換芯片使用查找表保持器件ID和正確的輸出端口問的關(guān)系。只要包給定了器件ID，交換芯片就能夠?yàn)槠湔业捷敵龆丝凇Ｓ捎谄骷蘒D字段相對(duì)較小并且使用了哈希關(guān)鍵字來縮小查找表，所以交換機(jī)可以很快查找并且不會(huì)增加RapidIO包通過交換器件的傳輸延遲。
    由于目的和源器件ID都包含在包頭中，所以交換機(jī)和端點(diǎn)不僅知道包去向何處，而且知道包的來處。系統(tǒng)可以使用源器件ID來送回一個(gè)響應(yīng)，表明正確的操作已經(jīng)完成或出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤條件。RapidIO僅通過硬件結(jié)構(gòu)來得到可靠的信道，使得在有限信任系統(tǒng)中來回搬移數(shù)據(jù)的效率較高。

3 RapidIO交換功能方案設(shè)計(jì)
3．1 方案概述
    在雷達(dá)信號(hào)處理、數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，海量數(shù)據(jù)高速實(shí)時(shí)處理至關(guān)重要。由于FPGA芯片在大數(shù)據(jù)量的底層算法處理上的優(yōu)勢(shì)及DSP芯片在復(fù)雜算法處理上的優(yōu)勢(shì)，DSP+FPGA的系統(tǒng)構(gòu)架越來越廣泛，這就使得FPGA與DSP芯片之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信至關(guān)重要。本方案正是基于這種需求，設(shè)計(jì)了一種基于串行RapidIO的交換模塊。在保證系統(tǒng)中DSP與FPGA之間數(shù)據(jù)高速交換的同時(shí)，由于采用了Tsi578交換芯片，DSP與FPGA之間的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)不同需要重新配置，既可在系統(tǒng)工作之前對(duì)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，也可在運(yùn)行過程中修改DSP于FPGA的互聯(lián)，達(dá)到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。
3．2 Tsi578芯片及其交換功能實(shí)現(xiàn)
    在串行RapidIO互聯(lián)應(yīng)用中，通常不直接將端點(diǎn)器件直接相連，而是利用交換結(jié)構(gòu)構(gòu)建可重構(gòu)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，其中交換芯片作為組成交換結(jié)構(gòu)核心部件。目前市面上專業(yè)的RapidIO芯片提供商包括IDT公司、PMC—Serial公司和Mercure公司，其中IDT公司在合并原來的Tundra公司后產(chǎn)品最全。設(shè)計(jì)選取的交換芯片為IDT公司的Tsi578芯片。該款交換芯片是聚合帶寬達(dá)80Gbit·s-1的全雙工串行RapidIO交換器，符合1．3版本的串行RapidIO規(guī)范，適用于網(wǎng)狀、矩陣架構(gòu)與集成系統(tǒng)的高度可擴(kuò)展解決方案。該芯片可配置高達(dá)8個(gè)4×模式鏈接或16個(gè)1×模式鏈接單個(gè)鏈路支持1．25、2．5及3．125 Gbit·s-1的速率。有關(guān)端口完全獨(dú)立，且交換器支持混合的速度及帶寬配置。
    Tsi578每個(gè)端口都有各自獨(dú)立的查找表，各端口支持兩種模式的操作：Flat mode和Hierachical mode。Flat mode是默認(rèn)的模式，支持ID的范圍為0～511，超出該范圍的包將被路由到寄存器設(shè)置的默認(rèn)端口。Hierarchical mode可尋址的最大范圍為6 400。以Flatmode為例，如圖2所示為一個(gè)典型的該模式的路由方式。Tsi578收到包后先進(jìn)行完整性檢查，例如CRC校驗(yàn)等，并通過物理層發(fā)送確認(rèn)信號(hào)給源器件，再由邏輯端口定位到目的ID。如果ID<256則查找本地查找表，如包A目的IDox12對(duì)應(yīng)的輸出端口為端口2，那么該包的輸入端口將與端口2連通；若目的ID≥256而<512則查找全局查找表，如包C目的IDox145對(duì)應(yīng)的輸出端口為端口9，那么該包的輸入端口將與端口9連同；所有目的ID>512的包將被發(fā)送到默認(rèn)端口14。

    在具體應(yīng)用中，通過對(duì)Tsi578內(nèi)部寄存器進(jìn)行正確的配置來實(shí)現(xiàn)其路由、鏈路維護(hù)和系統(tǒng)重構(gòu)等功能。配置方式包括：(1)通過I2C總線從E2ROM中讀取配置信息。(2)通過配置軟件經(jīng)JJAG接口在線配置。(3)發(fā)送RapidIO維護(hù)包對(duì)寄存器進(jìn)行配置。
    上述配置方式中，第一種在Tsi578上電時(shí)完成對(duì)寄存器的配置，通過刷新E2ROM中的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)靜態(tài)的鏈路重構(gòu)；第二種為系統(tǒng)調(diào)試狀態(tài)時(shí)采用的配置方式，可隨時(shí)更改配置信息；第三種方式在系統(tǒng)正常工作的情況下可通過發(fā)送維護(hù)包隨時(shí)更改配置信息，實(shí)現(xiàn)鏈路的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。正是由于Tsi578配置的靈活性，大大方便了可重構(gòu)分布式并行處理網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。[!--empirenews.page--]
3．3 方案設(shè)計(jì)
    根據(jù)以上對(duì)RapidIO的交換原理以及Tsi578交換功能實(shí)現(xiàn)的分析，設(shè)計(jì)了一種基于Tsi78芯片的RapidIO交換模塊。圖3所示為本方案的硬件結(jié)構(gòu)框圖。以交換芯片為核心，各端口圍繞交換芯片引出。其中端口2、4、10和12這4個(gè)端口用于連接AMC接口新式的插卡，AMC0連接兩個(gè)個(gè)端口，AMC1和AMC2分別連接一個(gè)端口。端口0和端口8連接SMA形式的接口設(shè)備，端口14連接串行LVDS形式的接口設(shè)備，端口16連接HIP形式的接口設(shè)備，當(dāng)然在具體應(yīng)用中設(shè)計(jì)者可以選擇不同形式的機(jī)械接口。交換模塊方案能實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)可提供不同的接口形式，方便不同器件或設(shè)備的連接。(2)既可作為單板上支持RapidIO協(xié)議不同芯片之的交換模塊，也可作為背板為不同功能的處理板提供互聯(lián)。(3)模塊配置靈活，可重構(gòu)性高。

3．4 功能驗(yàn)證
    交換模塊在某一雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證，此系統(tǒng)采用基于交換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，處理板上有多片DSP與FPGA，其間以串行RapidIO總線互連。在系統(tǒng)中，對(duì)交換模塊作了如下驗(yàn)證：(1)在系統(tǒng)丁作之前將配置程序燒寫入Tsi578的配置芯片，對(duì)互連網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)重構(gòu)性進(jìn)行驗(yàn)證。(2)系統(tǒng)工作過程中通過發(fā)送RapidIO維護(hù)包對(duì)Tsi578的內(nèi)部寄存器重新配置驗(yàn)證互連網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)性。(3)傳輸1．25、2．5、3 Chit·s-1這3種速率的高速RapidIO信號(hào)，驗(yàn)證通信是否可靠。在上述驗(yàn)證中，交換模塊均可以穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)可重構(gòu)。

4 結(jié)束語
    介紹了一種高速串行總線——RapidIO協(xié)議并對(duì)其交換原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上分析了Tsi578交換芯片的工作原理并基于該芯片完成了一種可重構(gòu)的RapidIO互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。隨著分布式并行處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用，并行系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要性日益突出。另一方面在高速互聯(lián)領(lǐng)域中串行取代并行方式成為主力這一趨勢(shì)下，支持RapidIO協(xié)議的芯片也越來越多，基于RapidIO的可重構(gòu)交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，并將有廣泛的應(yīng)用。