關(guān)于RapidIO嵌入式系統(tǒng)互連協(xié)議的介紹

1、 1 / 10 關(guān)于RapidIO嵌入式系統(tǒng)互連協(xié)議的介紹 作者：劍武江南來(lái)源：博客園 發(fā)布時(shí)間：2009-09-24 16:09閱讀：252次 RapidIO的簡(jiǎn)介 RapidIO互連架構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，滿足了嵌入式基礎(chǔ)設(shè)施在應(yīng)用方面的廣泛需要?？尚械膽?yīng)用包括連接多處理器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的存儲(chǔ)器映射I/O器件、存儲(chǔ)子系統(tǒng)和通用計(jì)算平臺(tái)。 RapidIO互連定義包括兩類技術(shù)：面向高性能微處理器及系統(tǒng)互連的并行接口；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。串行和并行RapidIO具有相同的編程模型、事務(wù)處理和尋址機(jī)制。 RapidIO支持的編程模型包括基本存儲(chǔ)器映射I/O事務(wù)

2、、基于端口的消息傳遞和基于硬件一致性的全局共享分布式存儲(chǔ)器。RapidIO也提供各種錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制，還提供定義良好的硬件和基于軟件的架構(gòu)以報(bào)告并糾正傳輸錯(cuò)誤。 RapidIO互連被定義為分層結(jié)構(gòu)，在保證后向兼容性的同時(shí)提供了可擴(kuò)展性和未來(lái)增強(qiáng)的可能。 RapidIO互連技術(shù) RapidIO采用三層分級(jí)體系結(jié)構(gòu)。邏輯層規(guī)范位于最高層，定義全部協(xié)議和包的格式，它們?yōu)槎它c(diǎn)器件發(fā)起和完成事務(wù)提供必要的信息。傳輸層規(guī)范在中間層，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)分級(jí)結(jié)構(gòu)層的底部，包括器件級(jí)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。 RapidIO

3、技術(shù)主要面向高性能嵌入式系統(tǒng)的互連通信，它采用高性能LVDS技術(shù)，可以在4對(duì)差分線上實(shí)現(xiàn)10Gbps的有效傳輸速率，而且具有萬(wàn)兆以太網(wǎng)、PCI express更高的傳輸效率。由于RapidIO在路由、交換、容錯(cuò)糾錯(cuò)、使用方便性上有較完善的考慮，可以實(shí)現(xiàn)基于硬件的高性能可靠數(shù)據(jù)傳輸，所以必 2 / 10 將在嵌入式系統(tǒng)、3G和3G之后的Beyond3G、4G移動(dòng)通信基站、高性能數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)等中得到廣泛應(yīng)用。 大多數(shù)電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三個(gè)基本功能：處理數(shù)據(jù)、來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，即在處理和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，也在沿途不同的地方存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)RapidIO技術(shù)正是為了在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)提供以交換互連而非總線

4、為基礎(chǔ)的傳輸數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法，從而能夠替代很多現(xiàn)有總線技術(shù)或基于交換的技術(shù)如PCI、VME、Utopia、Infiniband、Ethernet（在系統(tǒng)內(nèi)使用）或者SPI4。 RapidIO的應(yīng)用 RapidIO屬于系統(tǒng)內(nèi)部互連技術(shù)。目標(biāo)應(yīng)用是高性能的嵌入式設(shè)備市場(chǎng)中的系統(tǒng)內(nèi)部互連。 RapidIO互連適用于多器件緊耦合的工作環(huán)境。RapidIO可以用于PCI到PCI透明橋接，允許扁平結(jié)構(gòu)并使用更少的引腳傳輸更遠(yuǎn)的距離。 RapidIO非常適合于熱插拔應(yīng)用，因?yàn)镽apidIO的點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使設(shè)備的抽離對(duì)相鄰設(shè)備或子系統(tǒng)僅有非常少的電氣影響，甚至沒(méi)有影響。RapidIO互連結(jié)構(gòu)協(xié)議 在Rap

5、idIO互連結(jié)構(gòu)協(xié)議中，其主要針對(duì)以下幾個(gè)方面進(jìn)行了定義： 1.輸入輸出（I/O）接口的邏輯操作規(guī)范 I/O邏輯操作支持RapidIO存儲(chǔ)空間的基本讀寫(xiě)。I/O操作可以通過(guò)使用請(qǐng)求、響應(yīng)事務(wù)對(duì)來(lái)完成。請(qǐng)求和響應(yīng)事務(wù)對(duì)穿越RapidIO交換結(jié)構(gòu)運(yùn)行，但當(dāng)事務(wù)穿越交換結(jié)構(gòu)時(shí)RapidIO交換結(jié)構(gòu)并不跟蹤該事務(wù)。 在RapidIO體系結(jié)構(gòu)中定義了6種基本的I/O操作，以及相應(yīng)使用的事務(wù)。 1.讀操作，使用的事務(wù)是：NREAD、RESPONSE； 2.寫(xiě)操作，使用的事務(wù)是：NWRITE； 3.有響應(yīng)寫(xiě)操作，使用的事務(wù)是：NWRITE_R、RESPONSE； 4.流寫(xiě)操作，使用的事務(wù)是：SWRITE；

6、3 / 10 5.Atomic（讀-修改-寫(xiě)）操作，使用的事務(wù)是：ATOMIC、RESPONSE； 6.維護(hù)操作，使用的事務(wù)是：MAINTENANCE。 2.消息傳遞的邏輯操作規(guī)范 當(dāng)數(shù)據(jù)必須被系統(tǒng)中的多個(gè)處理器共享時(shí)，必須有協(xié)議維護(hù)和管理多個(gè)器件對(duì)共享數(shù)據(jù)的臨時(shí)占用。在“非共享”的系統(tǒng)中，需要一種機(jī)制把數(shù)據(jù)從一個(gè)處理器件傳遞到另一個(gè)器件。使用消息傳遞（Message Passing）和信箱（mailbox）可以實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制。 RapidIO互連協(xié)議提供了一種有用的消息傳遞機(jī)制。RapidIO消息傳遞協(xié)議描述了支持信箱和門(mén)鈴?fù)ㄐ诺氖聞?wù)。RapidIO信箱是一個(gè)端口，器件間可通過(guò)它發(fā)送消息。接收

7、器件在消息到達(dá)后對(duì)其進(jìn)行處理。RapidIO消息的長(zhǎng)度從0到4096字節(jié)不等。一個(gè)接收器件有14個(gè)可尋址消息隊(duì)列來(lái)捕獲呼入的消息。 RapidIO消息傳遞邏輯規(guī)范定義了兩種不同的包格式用于消息事務(wù)： 1.第10類包（門(mén)鈴事務(wù)DOORBELL）格式用來(lái)發(fā)送非常短的16位數(shù)據(jù)載荷，門(mén)鈴事務(wù)很適合發(fā)送處理器間的中斷 2.多事務(wù)消息用第11類包發(fā)送最多4096字節(jié)的數(shù)據(jù)載荷 RapidIO消息事務(wù)描述系統(tǒng)中用來(lái)在處理部件間通信的包。RapidIO行業(yè)協(xié)會(huì)既沒(méi)有規(guī)定實(shí)際的發(fā)送和接收緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有為消息結(jié)構(gòu)定義標(biāo)準(zhǔn)軟件API接口。 消息經(jīng)常被寫(xiě)入或讀出處理部件的本地存儲(chǔ)器緩沖區(qū)。根據(jù)期望的消息負(fù)載，

8、可能使用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)支持與發(fā)送和接收硬件相關(guān)的消息緩沖區(qū)的使用和再使用。 3.公共傳輸規(guī)范 公共傳輸規(guī)范定義了一種標(biāo)準(zhǔn)的傳輸機(jī)制，這樣做的目的是為了使頭信息加進(jìn)RapidIO的邏輯包，并且頭信息可以通過(guò)交換結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)明。RapidIO互連確定這一機(jī)制的執(zhí)行過(guò)程，這個(gè)執(zhí)行過(guò)程同樣也需要RapidIO互連定義其物理層特性，比如I/O信號(hào)水平、互連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理層協(xié)議，以及錯(cuò)誤檢測(cè)。 4 / 10 在這一章節(jié)里，RapidIO邏輯規(guī)范定義了三個(gè)傳輸方式，傳輸方式將作為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)互連可以為任何特定的應(yīng)用提供需要，而且，所以傳輸方式和它們的邏輯包都是以比特流的形式相互傳遞。這三種傳輸方式分別為

9、： 1.系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：在RapidIO中，器件與器件間的通信時(shí)通過(guò)發(fā)送包含源和目的器件ID的包進(jìn)行的。在使用器件ID作為系統(tǒng)級(jí)尋址方案的基礎(chǔ)上，RapidIO幾乎可以支持任何系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主處理器必須復(fù)制所有器件的所有表并負(fù)責(zé)在路徑故障事件發(fā)生前和發(fā)生后改變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也可以通過(guò)與系統(tǒng)中所有器件的交互和通過(guò)向系統(tǒng)中所有器件發(fā)送后期事件（post-event）來(lái)測(cè)試所有連接路徑配置的正確性。 2.基于交換的系統(tǒng)：基于RapidIO的處理器和交換產(chǎn)品建立的系統(tǒng)，交換機(jī)組成的互連結(jié)構(gòu)通過(guò)翻譯傳輸字段路由從一個(gè)處理器件發(fā)往另一個(gè)處理器件的包。由于請(qǐng)求經(jīng)常要求響應(yīng)，所有傳輸字段包含包的源器件ID和目的

10、器件ID。 源器件ID決定返回請(qǐng)求器件的路徑。 3.系統(tǒng)中包的路由：路由RapidIO包通過(guò)交換結(jié)構(gòu)的最常用方法在交換機(jī)中使用路由表。互連交換結(jié)構(gòu)中的每個(gè)交換機(jī)都有一個(gè)查詢表，指示交換機(jī)怎樣根據(jù)目的器件ID將每個(gè)包從輸入端口路由到輸出端口。具體采用哪一種路由方式取決于實(shí)際的應(yīng)用。 4. 8/16位鏈路協(xié)議端點(diǎn)的物理層規(guī)范 8/16位鏈路協(xié)議端點(diǎn)規(guī)范（8/16 LP-LVDS）詳細(xì)規(guī)定了使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)LVDS信號(hào)技術(shù)時(shí)同時(shí)發(fā)送或接收8/16位數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和幀（FRAME）信號(hào)的方法。 8/16LP-LVDS接口是一種源同步接口。這意味著時(shí)鐘會(huì)與相關(guān)數(shù)據(jù)一起傳送，也意味著在發(fā)送和接收時(shí)鐘間不用定義

11、相位關(guān)系，而且這兩個(gè)時(shí)鐘可以工作在不同頻率。在較高頻率使用源同步時(shí)鐘可以進(jìn)行更長(zhǎng)距離的傳輸。16位接口可用兩個(gè)時(shí)鐘組成時(shí)鐘對(duì)來(lái)幫助控制偏移（skew）現(xiàn)象。 LVDS是一種面向短距離印刷電路板應(yīng)用的低擺幅恒流差分信號(hào)技術(shù)。 5 / 10 LVDS是技術(shù)獨(dú)立的，可以在CMOS上實(shí)現(xiàn)。差分信號(hào)改進(jìn)了噪聲容限，對(duì)外部產(chǎn)生的噪聲、低程度電磁干擾具有免疫力，并減少了電源和地信號(hào)的引腳數(shù)。 RapidIO規(guī)范建議在傳輸高頻信號(hào)時(shí)附加源端匹配電阻來(lái)減小信號(hào)反射效應(yīng)。 在RapidIO并行物理層協(xié)議里，包和控制符號(hào)信息被分解到寬度為8位或者16位的接口中，而不是到單通道或者四通道的接口。并行接口使用IEEEL

12、VDS（低電壓差分信號(hào)）標(biāo)準(zhǔn)的差分電氣信號(hào)，而串行接口使用基于IEEEXAUI標(biāo)準(zhǔn)的差分電氣信號(hào)。 并行物理層的功能包括包傳輸、流量控制、錯(cuò)誤管理以及其他的系統(tǒng)功能。 5.全局共享存儲(chǔ)器的邏輯操作規(guī)范 支持全局共享的分布式存儲(chǔ)器系統(tǒng)是RapidIO協(xié)議的擴(kuò)展功能之一。這意味著可以吧存儲(chǔ)器放到系統(tǒng)中不同的物理位置上，可以正確的再不同處理器件間緩存。 盡管RapidIO協(xié)議主要是面向信息傳遞的編程模式，在RapidIO協(xié)議規(guī)范里，它同樣支持全局分布式共享存儲(chǔ)器（GSM）的模型。在全局分布式共享存儲(chǔ)器編程模型中，首先選擇的編程模型是現(xiàn)代通用多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而這需要得到硬件高速緩存一致性的支持。另

13、外，在RapidIO協(xié)議中，額外增加的GSM能夠使分布式I/O處理器件和多用途處理器件同時(shí)存在。 RapidIO制定了一種基于目錄的一致性解決方案來(lái)支持這種方法。使用這種方法，每個(gè)存儲(chǔ)器控制器都有責(zé)任跟蹤每個(gè)數(shù)據(jù)元素的當(dāng)前副本在系統(tǒng)中位于什么位置，為一致域中的每一器件維護(hù)一個(gè)目錄，跟蹤每個(gè)器件的修改、共享、位置（MSL）等簡(jiǎn)單的一致性狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)基于RapidIO技術(shù)的計(jì)算系統(tǒng)，它是一個(gè)多重處理系統(tǒng)，通常使用RapidIO將一個(gè)外圍橋接部件和幾個(gè)處理部件連接在一起。系統(tǒng)中的處理部件提供以下功能：處理、存儲(chǔ)器控制以及與RapidIO互連控制器的連接。系統(tǒng)中橋接部分向I/O子系統(tǒng)提供服務(wù)，如高速

14、PCI接口、千兆以太網(wǎng)端口、中斷控制和其他系統(tǒng)支持的功能。 6 / 10 6. 1x/4x串行RapidIO端口的物理層操作規(guī)范 RapidIO串行物理層，通常稱為串行RapidIO，針對(duì)板上或通過(guò)背板的器件間的電氣連接。串行物理層定義器件間的全雙工串行鏈路，在每個(gè)方向上使用單向差分信號(hào)。RapidIO串行物理層支持RapidIO器件間的包傳送，包括包和控制符號(hào)的傳送、流量控制、錯(cuò)誤管理和其他器件到器件的功能。 由于串行RapidIO規(guī)范僅在物理層定義（RapidIO技術(shù)定于物理層為電氣接口和器件到器件的鏈路協(xié)議），多數(shù)RapidIO控制器的邏輯是相同的。因此，串行RapidIO規(guī)范保留了許多

15、已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)過(guò)證實(shí)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了并行與串行鏈路間的系統(tǒng)級(jí)交換操作。 RapidIO串行物理層有如下特征： 1.采用8B/10B編碼方案將發(fā)送時(shí)鐘嵌入到數(shù)據(jù)中； 2.在每個(gè)方向上支持一個(gè)串行差分對(duì)，稱為1通道；或支持四個(gè)并列的串行差分對(duì)，稱為4通道； 3.使用專用的8B/10B碼來(lái)管理鏈路，管理內(nèi)容包括流量控制、包定界和錯(cuò)誤報(bào)告； 4.允許在RapidIO 1x/4x LP-Serial（串行RapidIO）端口和RapidIO物理層8/16LP-LVDS（并行RapidIO）端口之間進(jìn)行包傳輸而無(wú)需包處理； 5.使用與并行RapidIO物理層相似的重傳和錯(cuò)誤恢復(fù)協(xié)議； 6.支持每通道

16、1.25G、2.5G和3.125G波特率（數(shù)據(jù)流為1.0Gbps、2.0Gbps和2.5Gbps）的傳送速率。 7.系統(tǒng)與器件的交互操作規(guī)范 RapidIO互連結(jié)構(gòu)協(xié)議設(shè)置了一個(gè)框架來(lái)允許協(xié)議的應(yīng)用更加廣泛。本章提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案的協(xié)調(diào)能力。本章一共可以分為4個(gè)部分： 1. RapidIO啟動(dòng)和初始化編程 7 / 10 一旦配置好RapidIO系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)在RapidIO互連結(jié)構(gòu)中透明地傳遞存儲(chǔ)器和I/O事務(wù)。RapidIO操作完全由硬件處理，對(duì)軟件是透明的。RapidIO具有多種操作模式，但只有工作在存儲(chǔ)器映射I/O總線模式下才對(duì)軟件透明。對(duì)RapidIO自身的配置也能體

17、現(xiàn)出RapidIO對(duì)軟件的可見(jiàn)性。這里指RapidIO硬件和系統(tǒng)軟件間需要進(jìn)行交互以初始化RapidIO端點(diǎn)，確保鏈路的運(yùn)行并正確的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，如此才能正確配置系統(tǒng)中的所有交換機(jī)，并建立存儲(chǔ)器映射以提供期望的器件間的系統(tǒng)可見(jiàn)性。 2. RapidIO器件的分類 RapidIO協(xié)議介紹了三類器件的類型：處理部件、I/O處理部件和交換處理部件。 3.與PCI技術(shù)交互問(wèn)題的考慮 RapidIO包含豐富的操作和能力，可以很容易地以透明方式支持PCI等既有互連技術(shù)的傳輸。雖然RapidIO和PCI有著類似的功能，但是這兩種互連技術(shù)有著不同的協(xié)議并需要一個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)來(lái)在它們之間傳遞事務(wù)。 對(duì)于需要在R

18、apidIO和PCI之間傳輸?shù)氖聞?wù)，必須進(jìn)行以下操作： 1.把PCI總線中定義的地址空間映射到RapidIO互連的地址空間 2.把PCI事務(wù)轉(zhuǎn)換成RapidIO操作 3.維護(hù)PCI總線中產(chǎn)生者/用戶的需求 4.全局共享存儲(chǔ)器器件 這個(gè)在前面已經(jīng)提到過(guò)了。 8.錯(cuò)誤管理的擴(kuò)展操作規(guī)范 這一章節(jié)里，RapidIO協(xié)議中的錯(cuò)誤管理的擴(kuò)展操作規(guī)范分了三個(gè)方面對(duì)錯(cuò)誤管理進(jìn)行闡述： 1.錯(cuò)誤管理的擴(kuò)展 8 / 10 RapidIO協(xié)議中，錯(cuò)誤管理的擴(kuò)展規(guī)范是所有物理層和邏輯層都必需的內(nèi)容。 這些規(guī)范添加了以前保留在端口N控制的CSR所定義的比特，并且增加了新的寄存器來(lái)補(bǔ)充錯(cuò)誤管理擴(kuò)展功能塊。 2.錯(cuò)誤管理

19、寄存器 這一部分描述了錯(cuò)誤管理擴(kuò)展功能塊，并且在標(biāo)準(zhǔn)物理層寄存器上增加了新的比特。當(dāng)對(duì)于器件的執(zhí)行過(guò)程中這些比特不需要時(shí)，“終端”和“交換端”寄存器的比特應(yīng)該保留。 3.錯(cuò)誤管理的討論 在嵌入式基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間通常是重要的考慮因素。多數(shù)RapidIO錯(cuò)誤覆蓋操作由物理層規(guī)范處理，根據(jù)物理環(huán)境支持不同的覆蓋策略而不會(huì)對(duì)其他規(guī)范層產(chǎn)生影響。 控制符號(hào)是硬件錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的核心。如果檢測(cè)出某一包的檢驗(yàn)和錯(cuò)誤，則發(fā)送控制符號(hào)來(lái)確認(rèn)發(fā)送方和接收方是否依然保持同步，并發(fā)送重傳包控制符號(hào)。如果接口發(fā)生嚴(yán)重的故障，RapidIO硬件可產(chǎn)生中斷，這樣系統(tǒng)軟件可調(diào)用高級(jí)錯(cuò)誤恢復(fù)協(xié)議

20、進(jìn)行錯(cuò)誤恢復(fù)。 9.流控制邏輯層的擴(kuò)展操作規(guī)范 流量控制是任何互連技術(shù)的重要內(nèi)容。流量控制指在任意時(shí)間互連技術(shù)采用的某些規(guī)則和機(jī)制，根據(jù)這些規(guī)則和機(jī)制決定任意時(shí)間從可能獲得的若干事務(wù)中選擇哪一事務(wù)進(jìn)行發(fā)送。流量控制的目的是使器件完成系統(tǒng)中的事務(wù)，避免被其他事務(wù)阻塞?；诳偩€的互連技術(shù)使用仲裁算法來(lái)確保器件進(jìn)行恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)發(fā)操作，確保高優(yōu)先級(jí)的事務(wù)先于低優(yōu)先級(jí)的事務(wù)得到轉(zhuǎn)發(fā)。采用交換的互連技術(shù)，事務(wù)從系統(tǒng)的不同位置進(jìn)入，從而無(wú)法使用集中式的仲裁機(jī)制。 RapidIO使用若干補(bǔ)充機(jī)制來(lái)獲得系統(tǒng)中平穩(wěn)的數(shù)據(jù)流并避免系統(tǒng)死鎖。下面介紹兩種機(jī)制的流量控制方案： 1.鏈路級(jí)流量控制 9 / 10 RapidIO的目標(biāo)之一是盡可能限制開(kāi)銷和復(fù)雜度，尤其在流量控制方面。由于事務(wù)流和物理互連和系統(tǒng)劃分密切相關(guān)，規(guī)定流量控制為RapidIO物理層規(guī)范的內(nèi)容。事務(wù)請(qǐng)求流使系統(tǒng)人員可以通過(guò)控制通過(guò)機(jī)器的流量來(lái)保證重要的操作行為。RapidIO在鏈路級(jí)定義了三種流量控制機(jī)制：重傳、減速和基于信用的流量控制。重傳機(jī)制是最簡(jiǎn)單的機(jī)制，不僅用于流量控制，還用于硬件錯(cuò)誤恢復(fù)。減速機(jī)制使用空閑控制符號(hào)，發(fā)送包時(shí)可以在包中插入空閑控制符號(hào)，以便器件在包間插入等待狀態(tài)?；谛庞玫牧髁靠刂茩C(jī)制可供帶有事務(wù)緩沖區(qū)的器件，尤其是交換結(jié)構(gòu)使用。 2.端到端的流量控制 端到端的流量控制機(jī)制使用由交換或端點(diǎn)