Rapid IO---成就高速互連之美

在過去的30多年時間內(nèi)，處理器的主頻和性能呈現(xiàn)指數(shù)上升的趨勢，而與之相對應(yīng)的處理器總線傳送能力的增長卻相對緩慢的多，這就導(dǎo)致了由時鐘頻率表征的CPU的性能和由總線頻率表征的CPU可用的總線帶寬之間的差距不斷在變大，互連總線成為高速運(yùn)算和處理系統(tǒng)的瓶頸?，F(xiàn)代的高性能計算系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)存儲系統(tǒng)需要更高速率的數(shù)據(jù)傳送。高帶寬、低延遲，高可靠性成為衡量一個總線技術(shù)的基本要求。

一、 傳統(tǒng)總線的問題：

傳統(tǒng)總線多采用并線總線的工作方式，這類總線一般分為三組：數(shù)據(jù)線，地址線和控制線。實(shí)現(xiàn)此類總線互連的器件所需引腳數(shù)較多，例如對于64位數(shù)據(jù)寬的總線，一般由64根數(shù)據(jù)線，32－40根地址線以及30根左右的控制線，另外由于半導(dǎo)體制造工藝的限制還要加上一定數(shù)量的電源引線和地線，總共會有約200根左右的引線，這給器件封裝、測試、焊接都帶來了一些問題，如果要將這種總線用于系統(tǒng)之間的通過背板的互連，由此帶來的困難就可想而知。

為了提高總線的傳輸能力，傳統(tǒng)總線多采用增加數(shù)據(jù)總線的寬度或是增加總線的頻率的方式來實(shí)現(xiàn)。如PCI總線支持25M、33M、50M、66M的工作頻率，PCI－X總線是在PCI總線結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)得到的一種總線結(jié)構(gòu)，在硬件和軟件上兼容PCI總線，PCI－X總線可以支持32bit、64bit的總線，其工作頻率為66M、133M，對于64bit的PCI－X，如果其總線工作頻率為133MHz，其峰值傳送帶寬可達(dá)到133×64bit=8.512Gbps。目前PCI－X也有一些版本定義了總線頻率為266MHz或者533MHz的總線，另外也有一些總線定義了數(shù)據(jù)寬度為128bit 或是256bit的總線，但很少有人會選用這樣的總線，因?yàn)樵黾涌偩€頻率和數(shù)據(jù)帶寬雖然一定程度上滿足了人們對高速數(shù)據(jù)傳送的需求，但同時也帶來了一些新的問題。更寬的總線導(dǎo)致器件引腳數(shù)的增加，從而增加封裝尺寸，當(dāng)然帶來成本上的增加。

另一個問題是當(dāng)總線的工作頻率超過133MHz時，很難在一條總線上支持超過兩個外部設(shè)備，在總線上增加器件相當(dāng)于增加容性負(fù)載，而容性負(fù)載的增加意味著裝載或排空電荷使總線達(dá)到所需的額定電平的時間增長，信號的上升和下降時間的增長會限制總線的工作頻率。對于并線總線的另一個問題是時鐘與信號的偏移容限的問題，對于這樣一組并行信號線的集合，信號的采樣是取決于時鐘信號的上升沿或是下降沿，這樣對于信號的跳變和時鐘的跳變時刻的時間差就有一個上限值，隨著速率的升高，布線長度、器件門電路自身的翻轉(zhuǎn)時間都會影響總線的速率。

用于處理器之間互連以及背板互連的另一個主要技術(shù)是以太網(wǎng)，近些年來，以太網(wǎng)在存儲、電信、通訊、無線、工業(yè)應(yīng)用以及嵌入式應(yīng)用中得到大量的應(yīng)用，現(xiàn)有的成熟的硬件和協(xié)議棧降低了開發(fā)的復(fù)雜性和產(chǎn)品的開發(fā)成本。但是在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中得到很好應(yīng)用的以太網(wǎng)用于這種芯片級或是板極的系統(tǒng)互連顯示出了低效率、高延時的特性，QOS需要高層軟件的參與，造成軟件模塊化結(jié)構(gòu)不清晰。尤其是當(dāng)背板的傳輸速率從1Gbps增加到10Gbps時，增加的處理要求已經(jīng)超出了以太網(wǎng)的能力。

二、什么是Rapid IO？

Rapid IO技術(shù)最初是由Freescale 和Mercury 共同研發(fā)的一項互連技術(shù)，其研發(fā)初衷是作為處理器的前端總線，用于處理器之間的互連，但在標(biāo)準(zhǔn)制定之初，其創(chuàng)建者就意識到了RapidIO還可以做為系統(tǒng)級互連的高效前端總線而使用。1999年完成第一個標(biāo)準(zhǔn)的制定，2003 年5月，Mercury Computer Systems公司首次推出使用Rapid IO技術(shù)的多處理器系統(tǒng)ImpactRT 3100, 表明Rapid IO已由一個標(biāo)準(zhǔn)制定階段進(jìn)展到產(chǎn)品階段，到目前為止，Rapid IO已經(jīng)成為電信，通迅以及嵌入式系統(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。

Rapid IO 是針對嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)特互連需求而提出的，那么我們首先來說明嵌入式系統(tǒng)互連的一些基本需求：嵌入式系統(tǒng)需要的是一種標(biāo)準(zhǔn)化的互連設(shè)計，要滿足以下幾個基本的特點(diǎn)：高效率、低系統(tǒng)成本，點(diǎn)對點(diǎn)或是點(diǎn)對多點(diǎn)的通信，支持DMA操作，支持消息傳遞模式交換數(shù)據(jù)，支持分散處理和多主控系統(tǒng)，支持多種拓樸結(jié)構(gòu)；另外，高穩(wěn)定性和QOS也是選擇嵌入式系統(tǒng)總線的基本原則。而這些恰是Rapid IO期望滿足的方向。所以Rapid IO在制定之初即確定了以下幾個基本原則：一是輕量型的傳輸協(xié)議，使協(xié)議盡量簡單；二是對軟件的制約要少，層次結(jié)構(gòu)清晰；三是專注于機(jī)箱內(nèi)部芯片與芯片之間，板與板之間的互連。

Rapid IO采用三層分級的體系結(jié)構(gòu)，分級結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

由此圖可見，Rapid IO協(xié)議由邏輯層、傳輸層和物理層構(gòu)成。最明顯的一個特點(diǎn)就是Rapid IO采用了單一的公用傳輸層規(guī)范來相容、會聚不同的邏輯層和物理層，單一的邏輯層實(shí)體增強(qiáng)了Rapid IO的適應(yīng)性。

物理層定義了串行和并行兩個實(shí)體，得到廣泛應(yīng)用的只有串行方式，尤其是用在背板互連的場合，串行方式可以在兩個連接器之間允許80－100cm的連線，單鏈路傳輸帶寬可達(dá)10Gbps。目前Rapid IO的標(biāo)準(zhǔn)是Version1.3，在未來的Version2.0規(guī)范中定義了更高的傳輸速率，可以得到更高的傳輸帶寬。

物理層：

Rapid IO規(guī)范中定義的最低層是物理層，最初定義的是并行總線，之后定義了串行總線，并線總線可以選擇8位或16位的寬度，傳輸電平采用LVDS方式，時鐘信息在一對單獨(dú)的差分線上傳送，不在數(shù)據(jù)流中編碼，頻率在250M-1.0G之間。相比串行總線而言，無多少優(yōu)點(diǎn)可言，所以只是在最初有支持這種總線的芯片出現(xiàn)，目前幾乎所有的物理層均采用了串行方式。

串行物理層定義了器件間的全雙工串行鏈路，在每個方向上支持1個串行差分對稱為1個通道(1x)，或同時支持4個并行的串行差分對稱為4通道（4x），接口的電氣特性采用成熟的XAUI（10GbE Attachment Unit Interface）接口，編碼方式采用的是8B/10B編碼，對鏈路的管理，包括流量控制，包定界和錯誤報告等使用專用的8B/10B碼（即K碼），接收端從鏈路上提取時鐘信息，無需獨(dú)立的時鐘線。每一個通道支持三種不同的傳送波特率1.25G，2.5G，3.125G（與之相對應(yīng)的數(shù)據(jù)速率分別是1.0G，2.0G，2.5Gbps）。

圖：Control symbol 包的結(jié)構(gòu)

Rapid IO是一種基于可靠傳送的協(xié)議，每一個數(shù)據(jù)據(jù)包的傳送均要求對端在物理層上響應(yīng)一個控制符號包，此包是一個4個字節(jié)的數(shù)據(jù)包，表明了數(shù)據(jù)包的傳送狀態(tài)，數(shù)據(jù)包是否被對方接方，還是要求重新發(fā)送或是包未被接收。發(fā)送方和接收方均可以使用控制符號包來獲得對方的狀態(tài)。

圖：Rapid IO包結(jié)構(gòu)及物理層組成

Ack ID被接收方用作發(fā)送響應(yīng)包的ID號，表明此包是否被接收端接收，或是需要重傳。Rapid IO協(xié)議定義了兩個bit位用于表示包的優(yōu)先級，所以共有4個優(yōu)先等級，0是最低的，3是最高的，優(yōu)先級高的包將被交換器優(yōu)先傳送。

每一個數(shù)據(jù)包都會被物理層附加上一個或兩個16bit的CRC字段，用于接收方判斷接收到的數(shù)據(jù)包的完整性，小于80個字節(jié)的數(shù)據(jù)包只有一個CRC，大于80個字節(jié)的數(shù)據(jù)包除了在第80個字節(jié)后有第一個CRC字段后，還會在包的末尾再加上一個CRC字段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的檢錯，自動糾錯和自動重傳的功能，保證數(shù)據(jù)包被對端完整正確的接收。第一個CRC字段可用于對大數(shù)據(jù)包包頭的驗(yàn)證，這樣就可以在整個數(shù)據(jù)包被接收下來之前就可以進(jìn)行對數(shù)據(jù)包的處理，交換器的直通模式就是利用了這個特性，這樣可以有效減少傳送時延。ACKID并不包括在CRC的計算范圍內(nèi)，這幾個bit位在計算CRC時用0代替，這樣就保證了在每一個鏈路上CRC無須被重新計算，當(dāng)然如果HOP＿COUNT字節(jié)有變化時，CRC還是需要重新計算的。

傳輸層：

Rapid IO的第二層是傳輸層，實(shí)現(xiàn)Rapid IO數(shù)據(jù)包的路由、傳送。所有的邏輯層協(xié)議均使用單一的傳輸層實(shí)體來實(shí)現(xiàn)，這樣無論邏輯層怎么變化，或是采用何種方式來封裝應(yīng)用，都可以用單一的傳輸層實(shí)體來實(shí)現(xiàn)，即使有新的邏輯層規(guī)范出現(xiàn)，也可以用這個單一的傳輸層來實(shí)現(xiàn)。

Rapid IO的路由和交換是通過每個終端設(shè)備的ID號來實(shí)現(xiàn)的。每一個終端都會分配一個唯一的ID號，當(dāng)一個終端發(fā)出一個數(shù)據(jù)包時，在它的包頭中包含有目的終端的ID號和發(fā)送源端的ID號。每一個交換器在它的每一個端口上都有一個交換路由表，根據(jù)此表就可以決定此數(shù)據(jù)包由那一個端口送出。每個端口的路由表需要在系統(tǒng)初始化時進(jìn)行配置，這與以太網(wǎng)相比，顯得不是非常的靈活和智能，但正是如此，使得系統(tǒng)的路由實(shí)現(xiàn)變得非常簡單。同樣對于組播功能的實(shí)現(xiàn)也變得簡單，只是由單一的傳輸層就可以實(shí)現(xiàn)了。

Rapid IO系統(tǒng)構(gòu)成如左圖，包括兩類器件，一個是終端，產(chǎn)生數(shù)據(jù)包和接收數(shù)據(jù)包；另一類是交換器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在各個端點(diǎn)間的路由和傳送，且不對數(shù)據(jù)包做解釋。

Rapid IO的傳輸層包頭中的另一個字節(jié)是HOP_COUNT，是用來實(shí)現(xiàn)終端對交換器的初始化和路由配置，Rapid IO交換器的配置可以用任一個與之相連的終端進(jìn)行配置，當(dāng)交換器收到一個數(shù)據(jù)包時，它會首先判斷收到包的HOP_COUNT值，如果此值是0則由此交換器終結(jié)此數(shù)據(jù)包，交換器利用此數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作；如果此值不是0，則交換器將此值減一，然后按照目的ID值查路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。如果是要對級連的多個交換器進(jìn)行配置，可以在發(fā)送這些維護(hù)包時設(shè)置HOP_COUNT為0,1，2等對與之相連的第一個交換器，第二個交換器以及第三個交換器，以此類推。

邏輯層：

在Rapid IO的體系結(jié)構(gòu)中定義了6種基本操作，用來執(zhí)行相應(yīng)操作的事務(wù)和對操作的描述。這6種操作包括：NREAD（讀），NWRITE（寫），NWRITE_R(寫操作，但操作結(jié)束前需要等等一個響應(yīng))；SWRITE（流寫，面向大數(shù)據(jù)量DMA傳送）；Atomic（原子操作：讀－修改－寫）；Maintenance（維護(hù)包，以Rapid IO專用寄存器為目標(biāo)的事務(wù)，如：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，初始化、配置以及系統(tǒng)維護(hù)）。

在消息傳遞系統(tǒng)中，經(jīng)常使用兩種機(jī)制將命令或數(shù)據(jù)從一個器件到另一個器件，一個是DMA（直接內(nèi)存訪問），另一個是messaging(消息)。使用消息傳送時，發(fā)送端只須訪問目標(biāo)，而不需要象DMA方式那樣，還需對目標(biāo)的地址空間的可見性。

Rapid IO定義了兩種不同的包格式用于消息事務(wù)，第10類包格式（door bell）和第11類包格式，doorbell非常適合傳送8bit或16bit短信息，可以用于處理器的中斷等。第11類消息數(shù)據(jù)所最大的載荷是4096字節(jié)，可以由16個消息事務(wù)組成，每個最大載荷是256字節(jié)。Rapid IO可以支持4個訊息信箱（mailbox），每個信箱可以最多裝入4個信件，這樣發(fā)送方可以同時發(fā)送4個信件到同一個目標(biāo)信箱。

除此，Rapid IO也具備Data Streaming的邏輯層協(xié)議，為封裝和傳輸通過Rapid IO交換器的數(shù)據(jù)流提供一種標(biāo)準(zhǔn)方法。支持獨(dú)立流事務(wù)，通過SAR功能支持長度可變的PDU，且與內(nèi)部的PDU協(xié)議無關(guān)，提供對虛擬流識別功能；Rapid IO流是由源ID、目的ID與傳送鏈路組成的邏輯結(jié)構(gòu)，為了支持固定、較小的包長，必須對較長PDU分段處理，數(shù)據(jù)流支持分段傳輸以及重組還原操作，在段落類型上主要有：開始（Start）、繼續(xù)（Continuation）和結(jié)束（End）, 當(dāng)然可能會有多個繼續(xù)段。虛擬流被定義為協(xié)議數(shù)據(jù)單元定序集，可以對各個數(shù)據(jù)流進(jìn)行識別，在輸入輸出器件對之間可以只存在一個單獨(dú)的流，系統(tǒng)也可以為每一用戶和流量類型的組合分配一個單獨(dú)的流，使用虛擬流標(biāo)識最多可標(biāo)識四百萬個流，特定的流量級別可以提供基于優(yōu)先級、延遲和吞吐率等因素的流量商定，可以根據(jù)中最高位的優(yōu)先次序處理交換結(jié)構(gòu)中的流量。

流量控制是任何互連技術(shù)的重要內(nèi)容，Rapid IO提供了鏈路級的流量控制和端到端的流量控制兩種方式，由于業(yè)務(wù)流與物理連接和系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)相關(guān)，規(guī)定流量控制為Rapid IO物理層規(guī)范的內(nèi)容，同時定義了重傳、限速和基于信用三種流控方式，保證Rapid IO數(shù)據(jù)流的正確傳送。除了鏈路級的流量控制處，同時Rapid IO也定義了端到端的流量控制機(jī)制，鏈路級流控管理緊相連的兩個器件，但對于來自多個源，發(fā)往同一個或多個目的地的流量會很大程度上降低系統(tǒng)的性能，端到端的流量控制使用由交換或是端點(diǎn)器件產(chǎn)生的特殊擁塞包來控制流量，通過交換器件將擁塞控制包傳回到源端，源端可根據(jù)收到的控制包暫停發(fā)送數(shù)據(jù)包一定時間，通過限制源頭流量來達(dá)到流量控制的目的。單一的Rapid IO傳輸層結(jié)構(gòu)使得擁塞數(shù)據(jù)控制包的傳送變得非常簡單，交換結(jié)構(gòu)只是把他當(dāng)作普通數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送，但包的優(yōu)先級可能不同。

三、 Rapid IO在高速系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

目前，Rapid IO在無線基站系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，同樣在視頻處理，語音處理，高性能計算機(jī)及存儲領(lǐng)域也會得到越來越多的應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)芯片到芯片之間、板與板之間的高速互連上，Rapid IO所能帶來的好處也越來越直觀，對于簡化系統(tǒng)設(shè)計、高帶寬、低延時等特點(diǎn)也被開發(fā)人員廣泛接受。

下一代的Rapid IO在應(yīng)用上也要向機(jī)箱與機(jī)箱間的高速互連方向上發(fā)展，同時也會提供更高的傳輸速率，2.0規(guī)范中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)40Gbps的帶寬。我們相信，隨著越來越多的處理器支持Rapid IO接口，Rapid IO的應(yīng)用前景會越來越光明。

作者簡介：
姓名：裴濟(jì)杰
工作單位：加拿大騰華半導(dǎo)體上海代表處
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