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隨著(zhù)嵌入式系統對信號處理性能和數據傳輸性能的不斷提高，單純依靠提高處理器性能來(lái)改善系統性能的方法已無(wú)法滿(mǎn)足需求。并行計算正日益成為一種增加系統處理能力的可行方向，多處理器間的數據傳輸、資源共享與同步便成了一個(gè)制約系統性能的重要環(huán)節。傳統依靠提升并行總線(xiàn)寬度與速率的方法已不能滿(mǎn)足嵌入式市場(chǎng)對總線(xiàn)帶寬的需求。因此，需新興的高性能總線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)來(lái)實(shí)現系統互聯(lián)通信的更高要求。 RapidIO互連構架作為一種基于可靠性的開(kāi)放式互連協(xié)議標準，以其高效率、高穩定性、低系統成本等特點(diǎn)，可為通信系統各器件間提供高帶寬、低延時(shí)數據傳輸的解決方案。RapidIO具備交換功能，具有完備的包交換、應答、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的具有雙主機節點(diǎn)的嵌入式系統互聯(lián)設計，給出系統設計方案及驅動(dòng)軟件設計，并在具體應用環(huán)境中對設計方案進(jìn)行了系統驗證。 1 系統方案 在RapidIO互聯(lián)應用中，通常不會(huì )將RapidIO端點(diǎn)相互直接連在一起，而是通過(guò)交換機實(shí)現端點(diǎn)之間的系統互聯(lián)，這樣可使系統的成本減少，并改善系統的性能。典型的RapidIO交換網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分為主機節點(diǎn)(Host)、交換機(Switch)和端節點(diǎn)(End-Point)3類(lèi)，每個(gè)設備由DeviceID唯一標識。系統啟動(dòng)時(shí)，主機節點(diǎn)負責系統初始化和網(wǎng)絡(luò )的枚舉，在工作時(shí)，主機節點(diǎn)將協(xié)調和監控系統運行和錯誤恢復，同時(shí)，主機節點(diǎn)可看做是交換網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)端節點(diǎn)，負責發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò )中的數據包。交換機實(shí)現端系統的互連，且完成RapidIO包的路由和轉發(fā)。 為了實(shí)現RapidIO通信功能，主機節點(diǎn)需要實(shí)現RapidIO控制器，RapidIO控制器的實(shí)現主要有兩種方式，一種是通過(guò)FPGA的專(zhuān)用IP核來(lái)實(shí)現，這種方式受限于IP核對器件的限制，成本較高，且主機節點(diǎn)通常要實(shí)現數據處理與系統管理功能，單靠FPGA實(shí)現不太現實(shí)。另一種方式是通過(guò)集成有RapidIO控制器的CPU來(lái)實(shí)現，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完成任務(wù)的管理和調度，同時(shí)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做為主機節點(diǎn)。 本系統采用兩片MPC8641D處理器芯片做為主控制器，Freescale生產(chǎn)的MPC8641D芯片內部集成了2個(gè)e600內核，每個(gè)核包含32 kB的一級指令Cache和數據Cache，以及1個(gè)1 MB的二級Cache。高集成MPC8641D能夠代替多器件，極大節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(cháng)度4 kB的消息。 系統選用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(gè)4X端口或16個(gè)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(guò)每個(gè)端點(diǎn)設備的ID號來(lái)實(shí)現的，每個(gè)端點(diǎn)設備都會(huì )分配一個(gè)唯一的ID號，當一個(gè)端點(diǎn)發(fā)出一個(gè)數據包時(shí)，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(gè)端口上都有一個(gè)交換路由表，根據路由表就可決定此數據包由哪一個(gè)端口送出。 基于RapidIO的雙主機嵌入式互聯(lián)拓撲結構如圖1所示。 圖1 基于RapidIO的雙主機嵌入式互聯(lián)拓撲結構 2 驅動(dòng)軟件設計 2.1 系統主從方式初始化 在使用RapidIO進(jìn)行通信前，首先要進(jìn)行RapidIO系統初始化，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。 系統中采用兩塊CPU，兩塊CPU均可作為主機節點(diǎn)對RapidIO網(wǎng)絡(luò )進(jìn)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(shí)由某一RapidIO節點(diǎn)進(jìn)行主配置，實(shí)現RapidIO網(wǎng)絡(luò )初始化，其他節點(diǎn)等待網(wǎng)絡(luò )初始化成功后啟動(dòng)各自功能。如果進(jìn)行主配置的節點(diǎn)出現問(wèn)題，未完成RapidIO網(wǎng)絡(luò )初始化，具有從配置功能的節點(diǎn)需要進(jìn)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設備在重復初始化時(shí)會(huì )產(chǎn)生異常，為了防止主從設備同時(shí)對交換機進(jìn)行初始化，設計時(shí)考慮初始化時(shí)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，則該節點(diǎn)直接跳過(guò)這一步驟。優(yōu)勢在于對應用而言只需提供一個(gè)初始化接口，設計人員在進(jìn)行應用編程時(shí)無(wú)需考慮主設備或從設備是否已經(jīng)對交換機進(jìn)行了初始化，方便了應用設計。 2.2 網(wǎng)絡(luò )映射 網(wǎng)絡(luò )映射結果將系統中所有非主機結點(diǎn)的RapidIO空間映射到自己的地址空間上，不同的非主機節點(diǎn)根據需求不同可映射不同的起始地址和映射空間。系統中使用rioMapOutb和rioMapInb接口動(dòng)態(tài)配置RapidIO網(wǎng)絡(luò )地址映射，映射的地址長(cháng)度都必須為4 kB的倍數，且地址需要對齊，映射后在此存儲空間內進(jìn)行通信。軟件中使用的函數接口如下： (1)STATUS rioMapOutb(UINT32 lstart，UINT32rstart，UINT32 size，UINT32 tid，UINT32 flags)rioMapOutb映射外部節點(diǎn)tid的以rstart開(kāi)始的內存空間到本地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(gè)外部節點(diǎn)的內存空間，為了提升軟件效率，使用rioMapOutb4接口一次性對4個(gè)外部節點(diǎn)進(jìn)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(mén)鈴、Nread和Nwrite等方式。軟件中使用的函數接口如下： (1)void rioSendMsg(BYTE localPort，BYTEmailBox，BYTE dstID，BYTE*msgPtr，WORD len)rioSendMsg函數接口用來(lái)在兩個(gè)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RapidIO ID號，msgPtr為消息內容數組指針，len為消息長(cháng)度。 (2)void rioSendDoorbell(BYTE localport，BYTEdstPortID，WORD data)rioSendDoorbell函數接口發(fā)送門(mén)鈴信息，門(mén)鈴信息一般用于處理器間的中斷。Localport為端口號，dstPortID為目標端口號，data為16位門(mén)鈴信息。 (3)DWORD rioDmaNread(BYTE chan，DWORDlocaladr，DWORD rioaddr，DWORD bytecnt)應用程序調用rioDmaNread接口進(jìn)行Nread操作，rioDmaNread接口調用DMA控制器直接從RapidIO空間讀取數據塊到本地內存空間。 (4)DWORD rioDmaNwrite(BYTE chan，DWORDlocaladdr，DWORD rioaddr，DWORD bytecnt)應用程序調用rioDmaNwrite接口進(jìn)行Nwrite操作，rioDmaNwrite接口調用DMA控制器直接將本地內存空間的數據塊寫(xiě)到RapidIO空間上。 (5)DWORD rioDmaTransfer(BYTE ehan，DWORDsouraddr，DWORD desaddr，DWORD datasize，DWORDphyNextDescPtr)rioDmaTransfer接口實(shí)現DMA傳輸功能，該接口使用了DMA中斷功能，有阻塞，當DMA沒(méi)有完成時(shí)不會(huì )退出。 2.4 Rapidio網(wǎng)絡(luò )故障恢復 在實(shí)際應用中，RapidIO網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)可能出現故障，需進(jìn)行重啟操作。重啟后的節點(diǎn)，其硬件配置均回到最初狀態(tài)，RapidIO部分功能(節點(diǎn)ID等)需要進(jìn)行重新初始化，因此需進(jìn)行RapidIO網(wǎng)絡(luò )的故障恢復。 RapidIO網(wǎng)絡(luò )的故障恢復具有以下3種基礎形式： (1)普通節點(diǎn)的故障恢復。主節點(diǎn)或從節點(diǎn)進(jìn)行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò )的初始化即可恢復普通節點(diǎn)的RapidIO網(wǎng)絡(luò )故障。 (2)從節點(diǎn)的故障恢復。需要主節點(diǎn)進(jìn)行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò )的初始化。 (3)主節點(diǎn)的故障恢復。主節點(diǎn)自動(dòng)恢復后從節點(diǎn)進(jìn)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(wèn)題，主節點(diǎn)無(wú)法進(jìn)行自身的自動(dòng)恢復。因此，在故障恢復的第3種基礎形式中，僅能使用從節點(diǎn)進(jìn)行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò )的初始化這種方式恢復主節點(diǎn)的故障。在這種情況下，主節點(diǎn)和從節點(diǎn)之間需要具有通信機制，使得主節點(diǎn)能夠將其發(fā)生故障的事件通知給從節點(diǎn)，從而觸發(fā)從節點(diǎn)進(jìn)行一次RapidIO網(wǎng)絡(luò )的初始化，完成主節點(diǎn)的故障恢復。主節點(diǎn)和從節點(diǎn)之間需要具有通信機制，由于主節點(diǎn)和從節點(diǎn)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)方式完成主節點(diǎn)和從節點(diǎn)之間的故障通知。 3 系統驗證 完成系統和驅動(dòng)軟件的設計后，在具體應用環(huán)境中對系統的功能和性能進(jìn)行驗證。 3.1 功能驗證 系統采用主從方式初始化，系統上電后，兩個(gè)CPU各自調用初始化函數進(jìn)行系統初始化，先運行的CPU自動(dòng)設置為主節點(diǎn)，后運行的CPU和網(wǎng)絡(luò )上的其他設備為從節點(diǎn)，主節點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )枚舉發(fā)現系統中的其他從節點(diǎn)，從而完成網(wǎng)絡(luò )配置。系統驗證了如下功能： (1)RapidIO網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)接入和故障恢復功能，RapidIO網(wǎng)絡(luò )能夠動(dòng)態(tài)接入其他網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)并且完成對新接入節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )配置，同時(shí)系統具備故障恢復功能。 (2)傳輸1.25 Gbit·s-1、25 Gbit·s-1、3.125Gbit·s-1，3種速率時(shí)的高速RapidIO信號，3種工作速度可通過(guò)軟件動(dòng)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(gè)主機節點(diǎn)進(jìn)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(shí)Nread和Nwrite的傳輸帶寬，實(shí)際的傳輸帶寬如表1所示。 從表中可看出，RapidIO實(shí)際的傳輸速率和理論傳輸速率之間有一定的差距。當單包數據為128 Byte時(shí)，數據傳輸速率比較低。隨著(zhù)包的大小增加，傳輸速率也在增加，但是速率增長(cháng)趨勢變緩。當單包數據為4kB時(shí)，RapidIO的傳輸速率是最高的，此時(shí)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 結束語(yǔ) RapidIO是一種高效、穩定、低成本的系統互聯(lián)總線(xiàn)，為新一代高性能嵌入式系統互聯(lián)提供了良好的解決方案。本文介紹了一種基于RapidIO的具有雙主機節點(diǎn)的嵌入式系統互聯(lián)設計與實(shí)現方案，系統中兩塊PowerPC主控制器采用主從方式工作，并通過(guò)TSI578交換機連接外部的其他系統，該設計性能穩定可靠，能夠滿(mǎn)足并行分布式系統的高速數據傳輸需求，具有廣泛的應用前景。 |
