提高FPGA處理總線性能的RapidIO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　在傳統(tǒng)的嵌入式多處理器系統(tǒng)中，處理器之間的互連是通過(guò)分時(shí)共享總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所有通信爭(zhēng)用總線帶寬，由此就造成處理器越多，每個(gè)處理器可用帶寬就越少， 從而帶來(lái)嚴(yán)重的系統(tǒng)信息傳輸能力瓶頸。并且總線具有大量的引腳數(shù)目，帶來(lái)了一定的電氣特性和機(jī)械特性等問(wèn)題，使得信號(hào)頻率以及信號(hào)可傳輸距離都受到很大程度的制約。

　　RapidIO總線技術(shù)是一種基于高性能包交換的互連技術(shù)，具有極低的延遲（納秒級(jí)）和高帶寬。RapidIO總線技術(shù)的提出 消除了帶寬這個(gè)瓶頸問(wèn)題，成功解決了處理器集成芯片之間和線路板之間互連問(wèn)題。目前RapidIO已經(jīng)成為唯一的一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)串行互連協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，世界各大半導(dǎo)體公司都陸續(xù)推出了基于RapidIO技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品，基于RapidIO通信體系架構(gòu)技術(shù)的系統(tǒng)已在電信、國(guó)防、醫(yī)療等行業(yè)大量使用。

　　當(dāng)前在一個(gè)高速嵌入式多處理器系統(tǒng)內(nèi)一般由PPC、DSP和FPGA等處理器構(gòu)成。本文對(duì)FPGA的RapidIO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了功能測(cè)試和驗(yàn)證。

　　2 RapidIO 技術(shù)概述

　　RapidIO可提供10Gbps以上的帶寬（RapidIO 2.0規(guī)范可提供100Gbps帶寬），其所有的協(xié)議都是由硬件實(shí)現(xiàn)的，與軟件無(wú)關(guān)。適合用于芯片與芯片、板與板、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　RapidIO 協(xié)議采用三層分級(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)器件間傳輸包所需的路由信息。物理層規(guī)范在整個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)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的傳輸操作是基于請(qǐng)求和響應(yīng)機(jī)制，傳輸操作可以在包傳輸間歇插入控制符。包（PACKET）是系統(tǒng)中端點(diǎn) 器件的通信單元。由發(fā)起者（intiator）產(chǎn)生一個(gè)傳輸請(qǐng)求，請(qǐng)求包被傳輸?shù)较噜彽慕粨Q器件，從而進(jìn)入交換機(jī)構(gòu)，通過(guò)交換機(jī)構(gòu)這個(gè)完整的請(qǐng)求包被傳輸 到目標(biāo)器件（target），目標(biāo)器件根據(jù)請(qǐng)求完成相應(yīng)的操作后，發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)包，經(jīng)過(guò)交換機(jī)構(gòu)傳回到發(fā)起者，這時(shí)一個(gè)完整的傳輸過(guò)程完成?？刂品话?在物理層互連中用作傳輸管理，如包的確認(rèn)、流控信息和維護(hù)功能等。如圖1所示。

　　圖1 RapidIO的傳輸操作

　　RapidIO 的三層體系結(jié)構(gòu)可以將不同的單元互連起來(lái)，不同的單元之間以包的形式進(jìn)行通信。這樣的互連網(wǎng)絡(luò)可以有很靈活的系統(tǒng)拓?fù)?，常用的是基于交換的互連系統(tǒng)。一個(gè) 包從一個(gè)處理單元送到另一個(gè)處理單元是通過(guò)交換單元進(jìn)行的，交換單元通過(guò)對(duì)包格式里的傳輸字段進(jìn)行譯碼，而得到包所要到達(dá)哪個(gè)處理單元。由于通常一個(gè)請(qǐng)求 包對(duì)應(yīng)一個(gè)響應(yīng)包，所以包格式里的傳輸字段還要定義響應(yīng)包的返回路徑。

　　3 RapidIO的FPGA節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)

　　典型的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由PPC、DSP和FPGA三種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。隨著CPU、DSP和FPGA等處理器的性能得到較大提升，提高連接這些高性能器件的總線性能成為 提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。在一些處理器、系統(tǒng)邏輯、FPGA和ASIC中都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了RapidIO技術(shù)，如Xilinx公司已經(jīng)出售RapidIO的終端接 口邏輯IP核；TI公司的DSP芯片TMS320C6455內(nèi)部集成了串行RapidIO外設(shè)；Motorola公司已經(jīng)推出的 PowerQUICCIII處理器中集成了RapidIO接口邏輯；Tundra公司提供8端口的串行1x/4x的 RapidIO交換芯片Tsi568A和RapidIO橋接芯片。這里討論FPGA中RapidIO節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

　　RapidIO網(wǎng)絡(luò)中FPGA上的RapidIO節(jié)點(diǎn)，可以采用Xilinx RapidIO解決方案實(shí)現(xiàn)。Xilinx RapidIO解決方案如圖2所示，它由物理層核，邏輯傳輸層核、緩沖器核和參考設(shè)計(jì)4個(gè)部分組成。其中參考設(shè)計(jì)控制時(shí)鐘、復(fù)位和配置空間的存取。

　　圖2 Serial RapidIO 功能框圖

　　邏 輯層和傳輸層接口如圖3所示。邏輯層通過(guò)Xilinx特有的本地Link接口與物理層相連，以構(gòu)成RapidIO節(jié)點(diǎn)。邏輯層分為幾個(gè)模塊來(lái)控制發(fā)送和接 收包的串接和解析。其中用戶接口（User InteRFace）包含4個(gè)端口 （Initiator Request， Initiator Response， Target Request 和Target Response） ，從這里向remote節(jié)點(diǎn)發(fā)送包或接收remote節(jié)點(diǎn)發(fā)送的包，它是使用Xilinx SRIO解決方案時(shí)用戶通信使用的接口。還可以從這些端口發(fā)起到本節(jié)點(diǎn)配置寄存器的讀寫(xiě)操作。維護(hù)接口包含

　　2個(gè)端口（Maintenance Request/Response Port和Configuration Register Port），控制對(duì)邏輯層的配置寄存器以及用戶定義寄存器或物理層配置寄存器的讀寫(xiě)。

　　圖3 邏輯層和傳輸層接口

4 驗(yàn)證設(shè)計(jì)實(shí)例

　　FPGA 芯片選擇Xilinx的V5系列的芯片XC5VLX110T，它內(nèi)置了16個(gè)RocketIO收發(fā)器，支持從100Mbps到3.75Gbps串行數(shù)據(jù)傳 輸速率，支持目前流行的包括RapidIO在內(nèi)的高速串行I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。能夠在它的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)RapidIO高速串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在程序中還通過(guò)添加 VIO核以方便控制消息、門(mén)鈴等的發(fā)送。試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)架如圖4所示，在FPGA中通過(guò)ChipScope來(lái)觀察相關(guān)信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。

　　圖4 調(diào)試環(huán)境

　　通過(guò)遠(yuǎn)端ppc節(jié)點(diǎn)向fpga發(fā)門(mén)鈴和消息，chipScope在fpga接收端口Target Request得到的結(jié)果如圖5，圖6所示，觸發(fā)信號(hào)選用幀起始標(biāo)記treq_sof_n。由圖可見(jiàn)FPGA的rapidIO節(jié)點(diǎn)可以正確的接收消息和門(mén)鈴。

　　圖5 門(mén)鈴試驗(yàn)結(jié)果

　　圖6 消息試驗(yàn)結(jié)果

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　RapidIO互連有效的應(yīng)對(duì)了高性能嵌入式系統(tǒng)在可靠性和互連性方面的挑戰(zhàn)。這里使用Xilinx公司的rapidIO解決方案實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)中FPGA的RapidIO節(jié)點(diǎn)，在新一代通信及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用背景。