RapidIO——高性能嵌入式系统的互连架构.doc

RapidIO：高性能嵌入式系统的互连架构 引言 本文介绍RapidIO，一个高性能，引脚数小，包交换系统结构互连架构。这个互连架构是一个能满足大量嵌入式应用的开放式的标准。这个互连主要是为一个内部系统接口设计的，可以将片与片，板与板之间的对话从1Gbit/S提高到60Gbit/S。RapidIO的互连类型是：1、高性能的微处理器及系统连接的并行方式；2、串连背板、DSP及混合式串行控制板应用中的串行方式。并行方式和串行方式共用逻辑层、传输层和物理层。RapidIO也提供一个非常灵敏的错误管理系统以及纠错系统。RapidIO互连技术是用分层架构来定义的，这样可以带来很多方便之处。 介绍 处理器和嵌入式系统的发展持续呈现指数上升的趋势，而与之相对应的处理器总线传送能力的增长却相对缓慢的多，这就导致了由时钟频率表征的CPU的性能和由总线频率表征的CPU可用的总线带宽之间的差距不断在变大，互连总线成为高速运算和处理系统的瓶颈。现代的高性能计算系统和网络存储系统需要更高速率的数据传送。高带宽、低延迟，高可靠性成为衡量一个总线技术的基本要求。 为什么是RapidIO？以及RapidIO的发展前景 首先，传统总线存在很多问题。传统总线多采用并线总线的工作方式，这类总线一般分为三组：数据线，地址线和控制线。实现此类总线互连的器件所需引脚数较多。这给器件封装、测试、焊接都带来了一些问题，如果要将这种总线用于系统之间的通过背板的互连，由此带来的困难就可想而知。为了提高总线的传输能力，传统总线多采用增加数据总线的宽度或是增加总线的频率的方式来实现。增加总线频率和数据带宽虽然一定程度上满足了人们对高速数据传送的需求，但同时也带来了一些新的问题。更宽的总线导致器件引脚数的增加，从而增加封装尺寸，当然带来成本上的增加。 Rapid IO 是针对嵌入式系统的独特互连需求而提出的，那么我们首先来说明嵌入式系统互连的一些基本需求：嵌入式系统需要的是一种标准化的互连设计，要满足以下几个基本的特点：高效率、低系统成本，点对点或是点对多点的通信，支持DMA操作，支持消息传递模式交换数据，支持分散处理和多主控系统，支持多种拓朴结构；另外，高稳定性和QOS也是选择嵌入式系统总线的基本原则。而这些恰是Rapid IO期望满足的方向。所以Rapid IO在制定之初即确定了以下几个基本原则：一是轻量型的传输协议，使协议尽量简单；二是对软件的制约要少，层次结构清晰；三是专注于机箱内部芯片与芯片之间，板与板之间的互连。 RapidIO体系分层： Rapid IO采用三层分级的体系结构，分级结构图如下图所示： Rapid IO协议由逻辑层、传输层和物理层构成。逻辑层定义了所有协议和包格式。这是对终端进行初始化和完成传送的很有必要的信息。传输层为数据包从一个终端到另一个终端通道的必要信息。物理层描述了设备之间接口协议，例如包传装置，流量控制，电特性及低级错误管理等。 RapidIO协议概括 包和控制信号 RapidIO的操作都是基于请求和应答传输。包是末端器件间传输的单元。主设备产生一个请求传输信号，目标就会产生一个应答信号返回主设备。末端设备通常不是直接相连，而是通过一个访问连接设备相连。控制信号是用来管理物理层上交换的流量的。是用来进行包通知，流量控制信号以及维修功能的。下图展现了传输过程。 包格式 下图列出了RapidIO包典型的两种应答信号的形式工。 请求信号包由物理层开始，“S”用来确定这是一个包还是一个控制信号。RapidIO传输数据的负荷范围是从1个字节到256个字结。 应答信号较请求信号而言，要小得多。“Status”是用来确定这个包是否接收成功。 消息传递 在消息传递系统中，经常使用两种机制将命令或数据从一个器件到另一个器件，一个是DMA（直接内存访问），另一个是messaging(消息)。使用消息传送时，发送端只须访问目标，而不需要象DMA方式那样，还需对目标的地址空间的可见性。 ?Rapid IO定义了两种不同的包格式用于消息事务，第10类包格式（door bell）和第11类包格式，doorbell非常适合传送8bit或16bit短信息，可以用于处理器的中断等。第11类消息数据所最大的载荷是4096字节，可以由16个消息事务组成，每个最大载荷是256字节。Rapid IO可以支持4个讯息信箱（mailbox），每个信箱可以最多装入4个信件，这样发送方可以同时发送4个信件到同一个目标信箱。 ?全局共享存储器 支持全局共享的分布式存储器系统是RapidIO协议的扩展功能之一。这意味着可以吧存储器放到系统中不同的物理位置上，可以正确的再不同处理器件间缓存。 尽管RapidIO协议主要是面向信息传递的编程模式，在RapidIO协议规范里，它同样支持全局分布式共享存储