基于RapidIO互連構(gòu)架實現(xiàn)雙主機節(jié)點通信系統(tǒng)的設(shè)計

時間：2020-05-07 16:00:01

關(guān)鍵字：節(jié)點通信系統(tǒng) RAPIDIO UI

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[導(dǎo)讀] 隨著嵌入式系統(tǒng)對信號處理性能和數(shù)據(jù)傳輸性能的不斷提高，單純依靠提高處理器性能來改善系統(tǒng)性能的方法已無法滿足需求。并行計算正日益成為一種增加系統(tǒng)處理能力的可行方向，多處理器間的數(shù)據(jù)傳輸、資源共享與

隨著嵌入式系統(tǒng)對信號處理性能和數(shù)據(jù)傳輸性能的不斷提高，單純依靠提高處理器性能來改善系統(tǒng)性能的方法已無法滿足需求。并行計算正日益成為一種增加系統(tǒng)處理能力的可行方向，多處理器間的數(shù)據(jù)傳輸、資源共享與同步便成了一個制約系統(tǒng)性能的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)依靠提升并行總線寬度與速率的方法已不能滿足嵌入式市場對總線帶寬的需求。因此，需新興的高性能總線互聯(lián)技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)通信的更高要求。

RapidIO互連構(gòu)架作為一種基于可靠性的開放式互連協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以其高效率、高穩(wěn)定性、低系統(tǒng)成本等特點，可為通信系統(tǒng)各器件間提供高帶寬、低延時數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕鉀Q方案。RapidIO具備交換功能，具有完備的包交換、應(yīng)答、中斷、容錯機制，可靠性高，傳輸效率高于PCIE和千兆以太網(wǎng)，可為芯片到芯片，板到板提供高性能的互聯(lián)，其性能可達到1～60 Gbit·s-1，能夠為新一代高性能嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)提供良好的解決方案。本文討論了一種基于RapidIO的具有雙主機節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計，給出系統(tǒng)設(shè)計方案及驅(qū)動軟件設(shè)計，并在具體應(yīng)用環(huán)境中對設(shè)計方案進行了系統(tǒng)驗證。

1 、系統(tǒng)方案

在RapidIO互聯(lián)應(yīng)用中，通常不會將RapidIO端點相互直接連在一起，而是通過交換機實現(xiàn)端點之間的系統(tǒng)互聯(lián)，這樣可使系統(tǒng)的成本減少，并改善系統(tǒng)的性能。典型的RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為主機節(jié)點(Host)、交換機(Switch)和端節(jié)點(End-Point)3類，每個設(shè)備由DeviceID唯一標(biāo)識。系統(tǒng)啟動時，主機節(jié)點負責(zé)系統(tǒng)初始化和網(wǎng)絡(luò)的枚舉，在工作時，主機節(jié)點將協(xié)調(diào)和監(jiān)控系統(tǒng)運行和錯誤恢復(fù)，同時，主機節(jié)點可看做是交換網(wǎng)絡(luò)中的一個端節(jié)點，負責(zé)發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包。交換機實現(xiàn)端系統(tǒng)的互連，且完成RapidIO包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。

為了實現(xiàn)RapidIO通信功能，主機節(jié)點需要實現(xiàn)RapidIO控制器，RapidIO控制器的實現(xiàn)主要有兩種方式，一種是通過FPGA的專用IP核來實現(xiàn)，這種方式受限于IP核對器件的限制，成本較高，且主機節(jié)點通常要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)管理功能，單靠FPGA實現(xiàn)不太現(xiàn)實。另一種方式是通過集成有RapidIO控制器的CPU來實現(xiàn)，如PowerPC。PowerPC處理器功能強大，處理速度快，可以配合嵌入式操作系統(tǒng)完成任務(wù)的管理和調(diào)度，同時較多PowerPC處理器集成有RapidIO控制器，因此大多使用RapidIO網(wǎng)絡(luò)的嵌入式領(lǐng)域都選用PowerPC做為主機節(jié)點。

本系統(tǒng)采用兩片MPC8641D處理器芯片做為主控制器，F(xiàn)reescale生產(chǎn)的MPC8641D芯片內(nèi)部集成了2個e600內(nèi)核，每個核包含32 kB的一級指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，以及1個1 MB的二級Cache。高集成MPC8641D能夠代替多器件，極大節(jié)省了底板制造的成本和空間。MPC8641D芯片集成了RapidIO控制器，其中1x/4x串行通道的傳輸速率可為1.25 Gbit·s-1、2.5 Gbit·s-1和3.125 Gbit·s-1，消息單元支持存儲地址寄存器最大長度4 kB的消息。

系統(tǒng)選用TS1578做為交換機，Tsi578交換芯片是Tundra公司的第3代RapidIO交換芯片，其支持高達80 Gbit·s-1的聚合帶寬，可獨立配置成最多8個4X端口或16個1X端口，端口的頻率可配置為1.25 Gbit·s-1、2.5 Gbit·s-1、3.125 Gbit·s-1，支持混合的速率和帶寬配置。SRIO的路由和交換是通過每個端點設(shè)備的ID號來實現(xiàn)的，每個端點設(shè)備都會分配一個唯一的ID號，當(dāng)一個端點發(fā)出一個數(shù)據(jù)包時，在其的包頭中包含有目的終端的ID號和發(fā)送源端的ID號。Tsi578的每個端口上都有一個交換路由表，根據(jù)路由表就可決定此數(shù)據(jù)包由哪一個端口送出。

基于RapidIO的雙主機嵌入式互聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于RapidIO的雙主機嵌入式互聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)

2 、驅(qū)動軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主從方式初始化

在使用RapidIO進行通信前，首先要進行RapidIO系統(tǒng)初始化，主要包括SRIO控制器初始化、Doorbell初始化、Message初始化、DMA初始化、RapidIO交換機初始化、RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化等。

系統(tǒng)中采用兩塊CPU，兩塊CPU均可作為主機節(jié)點對RapidIO網(wǎng)絡(luò)進行配置，為了保證RapidIO網(wǎng)絡(luò)能夠正常初始化，需使用主從方式的RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化，初始化時由某一RapidIO節(jié)點進行主配置，實現(xiàn)RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化，其他節(jié)點等待網(wǎng)絡(luò)初始化成功后啟動各自功能。如果進行主配置的節(jié)點出現(xiàn)問題，未完成RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化，具有從配置功能的節(jié)點需要進行RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化，以提高RapidIO網(wǎng)絡(luò)初始化的魯棒性。

由于TSI578設(shè)備在重復(fù)初始化時會產(chǎn)生異常，為了防止主從設(shè)備同時對交換機進行初始化，設(shè)計時考慮初始化時首先判斷RIO_HOST_BASE _ID_LOCK寄存器是否已被鎖定，若已被鎖定，表明交換機已被初始化，則該節(jié)點直接跳過這一步驟。優(yōu)勢在于對應(yīng)用而言只需提供一個初始化接口，設(shè)計人員在進行應(yīng)用編程時無需考慮主設(shè)備或從設(shè)備是否已經(jīng)對交換機進行了初始化，方便了應(yīng)用設(shè)計。

2.2 網(wǎng)絡(luò)映射

網(wǎng)絡(luò)映射結(jié)果將系統(tǒng)中所有非主機結(jié)點的RapidIO空間映射到自己的地址空間上，不同的非主機節(jié)點根據(jù)需求不同可映射不同的起始地址和映射空間。系統(tǒng)中使用rioMapOutb和rioMapInb接口動態(tài)配置RapidIO網(wǎng)絡(luò)地址映射，映射的地址長度都必須為4 kB的倍數(shù)，且地址需要對齊，映射后在此存儲空間內(nèi)進行通信。軟件中使用的函數(shù)接口如下：

(1)STATUS rioMapOutb(UINT32 lstart，UINT32rstart，UINT32 size，UINT32 tid，UINT32 flags)rioMapOutb映射外部節(jié)點TId的以rstart開始的內(nèi)存空間到本地lstart地址。

(2)STATUS rioMapInb(UINT32 lstart，UINT32rstart，UINT32 size，UINT32 flags)rioMapInb映射大小為size的本地地址lstart到RapidIO空間地址rstart;

(3)STATUS rioMapOutb4(UINT32 lstart，UINT32rstart，UINT32 size，UINT32 TId0，UINT32 TId1，UINT32TId2，UINT32 tid3，UINT32 flags)

rioMapOutb一次只能映射一個外部節(jié)點的內(nèi)存空間，為了提升軟件效率，使用rioMapOutb4接口一次性對4個外部節(jié)點進行映射。

2.3 網(wǎng)絡(luò)通信

RapidIO的網(wǎng)絡(luò)通信主要有消息、門鈴、Nread和Nwrite等方式。軟件中使用的函數(shù)接口如下：

(1)void rioSendMsg(BYTE localPort，BYTEmailBox，BYTE dstID，BYTE*msgPtr，WORD len)rioSendMsg函數(shù)接口用來在兩個處理部件之間發(fā)送消息，loealPort為本地RapidIO端口號，mailBox為郵箱號，dstID為目標(biāo)RapidIO ID號，msgPtr為消息內(nèi)容數(shù)組指針，len為消息長度。

(2)void rioSendDoorbell(BYTE localport，BYTEdstPortID，WORD data)rioSendDoorbell函數(shù)接口發(fā)送門鈴信息，門鈴信息一般用于處理器間的中斷。Localport為端口號，dstPortID為目標(biāo)端口號，data為16位門鈴信息。

(3)DWORD rioDmaNread(BYTE chan，DWORDlocaladr，DWORD rioaddr，DWORD bytecnt)應(yīng)用程序調(diào)用rioDmaNread接口進行Nread操作，rioDmaNread接口調(diào)用DMA控制器直接從RapidIO空間讀取數(shù)據(jù)塊到本地內(nèi)存空間。

(4)DWORD rioDmaNwrite(BYTE chan，DWORDlocaladdr，DWORD rioaddr，DWORD bytecnt)應(yīng)用程序調(diào)用rioDmaNwrite接口進行Nwrite操作，rioDmaNwrite接口調(diào)用DMA控制器直接將本地內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)塊寫到RapidIO空間上。

(5)DWORD rioDmaTransfer(BYTE ehan，DWORDsouraddr，DWORD desaddr，DWORD datasize，DWORDphyNextDescPtr)rioDmaTransfer接口實現(xiàn)DMA傳輸功能，該接口使用了DMA中斷功能，有阻塞，當(dāng)DMA沒有完成時不會退出。

2.4 Rapidio網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)

在實際應(yīng)用中，RapidIO網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點可能出現(xiàn)故障，需進行重啟操作。重啟后的節(jié)點，其硬件配置均回到最初狀態(tài)，RapidIO部分功能(節(jié)點ID等)需要進行重新初始化，因此需進行RapidIO網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)具有以下3種基礎(chǔ)形式：

(1)普通節(jié)點的故障恢復(fù)。主節(jié)點或從節(jié)點進行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò)的初始化即可恢復(fù)普通節(jié)點的RapidIO網(wǎng)絡(luò)故障。

(2)從節(jié)點的故障恢復(fù)。需要主節(jié)點進行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò)的初始化。

(3)主節(jié)點的故障恢復(fù)。主節(jié)點自動恢復(fù)后從節(jié)點進行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò)的初始化。

在某些情況下，由于芯片上RapidIO控制器的問題，主節(jié)點無法進行自身的自動恢復(fù)。因此，在故障恢復(fù)的第3種基礎(chǔ)形式中，僅能使用從節(jié)點進行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò)的初始化這種方式恢復(fù)主節(jié)點的故障。在這種情況下，主節(jié)點和從節(jié)點之間需要具有通信機制，使得主節(jié)點能夠?qū)⑵浒l(fā)生故障的事件通知給從節(jié)點，從而觸發(fā)從節(jié)點進行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò)的初始化，完成主節(jié)點的故障恢復(fù)。主節(jié)點和從節(jié)點之間需要具有通信機制，由于主節(jié)點和從節(jié)點同屬于一塊板卡，且之間具有互相的中斷觸發(fā)功能，因此使用中斷觸發(fā)方式完成主節(jié)點和從節(jié)點之間的故障通知。

3 、系統(tǒng)驗證

完成系統(tǒng)和驅(qū)動軟件的設(shè)計后，在具體應(yīng)用環(huán)境中對系統(tǒng)的功能和性能進行驗證。

3.1 功能驗證

系統(tǒng)采用主從方式初始化，系統(tǒng)上電后，兩個CPU各自調(diào)用初始化函數(shù)進行系統(tǒng)初始化，先運行的CPU自動設(shè)置為主節(jié)點，后運行的CPU和網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備為從節(jié)點，主節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)枚舉發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的其他從節(jié)點，從而完成網(wǎng)絡(luò)配置。系統(tǒng)驗證了如下功能：

(1)RapidIO網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入和故障恢復(fù)功能，RapidIO網(wǎng)絡(luò)能夠動態(tài)接入其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并且完成對新接入節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)配置，同時系統(tǒng)具備故障恢復(fù)功能。

(2)傳輸1.25 Gbit·s-1、25 Gbit·s-1、3.125Gbit·s-1，3種速率時的高速RapidIO信號，3種工作速度可通過軟件動態(tài)配置。

3.2 性能驗證

為了驗證網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，選取RapidIO網(wǎng)絡(luò)中的兩個主機節(jié)點進行通信功能測試。RapidIO端口工作在4x模式下，速率為3.125Gbit·s-1，測試傳輸不同大小的包時Nread和Nwrite的傳輸帶寬，實際的傳輸帶寬如表1所示。

從表中可看出，RapidIO實際的傳輸速率和理論傳輸速率之間有一定的差距。當(dāng)單包數(shù)據(jù)為128 Byte時，數(shù)據(jù)傳輸速率比較低。隨著包的大小增加，傳輸速率也在增加，但是速率增長趨勢變緩。當(dāng)單包數(shù)據(jù)為4kB時，RapidIO的傳輸速率是最高的，此時NWRITE的傳輸帶寬為720.5 Mbit·s-1，NREAD的傳輸帶寬為716.8/Mbit·s-1。

4 、結(jié)束語

RapidIO是一種高效、穩(wěn)定、低成本的系統(tǒng)互聯(lián)總線，為新一代高性能嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)提供了良好的解決方案。本文介紹了一種基于RapidIO的具有雙主機節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計與實現(xiàn)方案，系統(tǒng)中兩塊PowerPC主控制器采用主從方式工作，并通過TSI578交換機連接外部的其他系統(tǒng)，該設(shè)計性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足并行分布式系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸需求，具有廣泛的應(yīng)用前景。