王 璐，龔 俊

（中國兵器工業(yè)第五八研究所，四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著高性能嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸能力和信號處理能力也在不斷的提高。但與處理器內(nèi)核性能的增長速率相比，總線頻率的提升仍然滯后，且兩者之間的差距在不斷擴(kuò)大。處理器性能的提升已無法滿足處理器間或處理器與外設(shè)間高速通信的需求。因此，需要新興的高性能總線互連技術(shù)來滿足系統(tǒng)互連通信的更高要求[1]。

RapidIO 是新一代高速互連技術(shù)，已于2004 年被國際標(biāo)注化組織（ISO）和國際電工協(xié)會（IEC）批準(zhǔn)為ISO/IEC DIS 18372 標(biāo)準(zhǔn)。RapidIO 技術(shù)主要面向高性能嵌入式系統(tǒng)的互連通信，可在4 對差分線上實(shí)現(xiàn)10Gbps 的有效傳輸速率，而且具有比萬兆以太網(wǎng)、PCI express 更高的傳輸速率[2]。RapidIO 互連定義包括兩類技術(shù)：一類是面向高性能微處理器及系統(tǒng)互連的并行接口；另一類是面向串行背板、DSP 和相關(guān)串行控制平面應(yīng)用的串行接口。

1 RapidIO 互連技術(shù)簡介

RapidIO 采用三層分級體系結(jié)構(gòu)，即邏輯層、傳輸層和物理層：①邏輯層：最高層，定義了全部協(xié)議和包的格式，為端點(diǎn)器件發(fā)起和完成事務(wù)提供必要的信息；②傳輸層：中間層，定義了交換器件如何將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包路由到目標(biāo)器件，即定義了設(shè)備ID 路由方法；③物理層：最底層，定義了相鄰處理單元之間的電氣連接，描述器件級接口規(guī)范。例如：包傳輸機(jī)制、流量控制、電氣特性和低級錯誤管理等內(nèi)容[3]。分層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

串行RapidIO 的傳輸操作基于請求和響應(yīng)，數(shù)據(jù)包（packet）是消息傳遞的基本通信單元。RapidIO 系統(tǒng)一般由端點(diǎn)器件和交換器件組成，每個器件由唯一的設(shè)備ID標(biāo)識。端點(diǎn)器件產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)包，交換器件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包在各端點(diǎn)間的路由和傳遞，不對數(shù)據(jù)包做解析。圖2是傳輸操作的流程圖。首先由發(fā)起器件產(chǎn)生一個傳輸請求，請求包被傳輸?shù)较噜彽慕粨Q器件，通過交換器件這個請求包被完整的轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)器件。目標(biāo)器件根據(jù)請求完成相應(yīng)操作后，發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)包，經(jīng)過交換器件傳回到發(fā)起器件。至此一個完整的傳輸過程完成。

圖1 RapidIO 體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of RapidIO system

圖2 RapidIO 傳輸操作流程圖Fig.2 Flow chart of RapidIO transmission

2 RapidIO 互連系統(tǒng)平臺簡介

RapidIO 互連系統(tǒng)采用Freescale 公司的MPC8548 處理器作為端點(diǎn)器件，一端設(shè)置為主設(shè)備，另一端設(shè)置為從設(shè)備。采用IDT 公司的Tsi578 芯片作為交換器件，使能其中兩個端口并設(shè)置為1×模式，波特率為3.125 Gbps。RapidIO 硬件平臺互連示意圖如圖3 所示。

圖3 硬件平臺互聯(lián)圖Fig.3 Interconnection diagram of hardware platform

MPC8548 處理器內(nèi)部具有PowerPC e500 的內(nèi)核以及CPM 通信處理模塊，內(nèi)部的時鐘頻率為1GHz。除此之外，還集成了RapidIO 控制器，其中1×/4×串行通道的傳輸速率可配置為1.25Gbps、2.5Gbps 或3.125Gbps，消息單元支持存儲地址寄存器最大長度4KB 的消息[4]。

Tsi578 芯片是Tundra 公司推出的RapidIO 交換產(chǎn)品，后并入IDT 公司，該芯片基于RapidIO 1.3 規(guī)范，共有16 路串行通道，可以靈活配置為8×4 或16×1 的端口工作方式，端口數(shù)最多可以配置為16 個，芯片內(nèi)部交換帶寬達(dá)到80Gbps，提供無阻塞的全雙工交換能力。高性能的SerDes 通道可以實(shí)現(xiàn)單路1.25Gbps、2.5Gbps或3.125Gbps 的傳輸速率[5]。

本系統(tǒng)軟件采用VxWorks 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)[6]，由windRiver 公司研制，使用wind 內(nèi)核，具有高效的實(shí)時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時的系統(tǒng)資源和任務(wù)通信等功能，內(nèi)核精簡并且可高度裁剪、高效、穩(wěn)定并具有良好的可移植性，專門用于對實(shí)時性要求較高的硬件設(shè)備。

3 RapidIO 總線驅(qū)動的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

RapidIO 總線驅(qū)動包含：本地設(shè)備初始化、網(wǎng)絡(luò)配置、消息傳遞這三個部分基本功能。

3.1 本地設(shè)備初始化

本地設(shè)備初始化首先要初始化MPC8548 處理器內(nèi)部的RapidIO 控制器和使能端口，這是進(jìn)行RapidIO 通信的基礎(chǔ)。其次要配置TLB 表，申請本地設(shè)備地址空間。最后要創(chuàng)建維護(hù)窗口，用以完成維護(hù)讀/寫操作。其中，維護(hù)窗口的建立及維護(hù)讀/寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

（1）建立維護(hù)窗口：

STATUS rioSetupMaintenanceWindow (UINT32 rioBase,UINT16 deviceID,UINT8 hopCount,UINT32 offset, UINT32 window);

（2）維護(hù)讀操作：

STATUS rioMaintenanceRead(UINT16 targetId, UINT8 hopCount,UINT32 offset,UINT32 *data, UINT32 window);

（3）維護(hù)寫操作：

STATUS rioMaintenanceWrite(UINT16 targetId, UINT8 hopCount,UINT32 offset,UINT32 data, UINT32 window)；

3.2 網(wǎng)絡(luò)枚舉與配置

網(wǎng)絡(luò)枚舉與配置包含了枚舉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、分配設(shè)備ID、維護(hù)路由表以及地址空間映射等主要功能。

端點(diǎn)器件（主設(shè)備）在完成本地初始化后，要進(jìn)行RapidIO 網(wǎng)絡(luò)的枚舉與配置。需要查找與之相連的端點(diǎn)器件（從設(shè)備），并通過讀取制造商ID 判斷是端點(diǎn)器件或交換器件。若為端點(diǎn)器件，首先要鎖定此設(shè)備，表明主設(shè)備即將要對它進(jìn)行配置；其次要將此從設(shè)備ID 由0xFF 更新為RapidIO 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ID 編號；再次要更新路由表，指明主設(shè)備通過交換器件到該從設(shè)備的路徑；最后要進(jìn)行地址空間映射，為主設(shè)備訪問該從設(shè)備做好準(zhǔn)備。主要枚舉和配置流程如圖4 所示。

路由表維護(hù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

圖4 枚舉與配置流程圖Fig.4 Flow chart of enumerate & configuration device

（1）添加路由項：

STATUS rioAddRouteEntry ( UINT16 targetId, UINT8 hopCount ,UINT16 routeDestid, UINT8 routePort) ;

（2）獲取路由項：

STATUS rioGetRouteEntry ( UINT16 targetId, UINT8 hopCount ,UINT16 routeDestid, UINT8 *routePort)；

3.3 消息傳遞

RapidIO 的消息傳遞方式主要有Doorbell、Message、Nread 和Nwrite 等方式。軟件中主要使用的函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

（1）Doorbell 方式。Doorbell 消息傳遞方式適合傳遞8bit 或者16bit 的短消息，主要用于處理器間的中斷。

UINT32 rioSendDoorbell (UINT16 localPort, UINT16 destId, UINT16 data)；

（2）Message 方式。Message 方式最多可傳輸4096 字節(jié)數(shù)據(jù)。這種消息傳遞方式類似于以太網(wǎng)的傳輸方式，主設(shè)備不需要知道從設(shè)備的存儲器狀況，數(shù)據(jù)存放的位置由destId 決定的郵箱號確定。郵箱號類似于以太網(wǎng)協(xié)議中的端口號。

UINT32 rioSendMessage（UINT16 mbox, UINT32 destId,void *buffer, UINT32 len）；

UINT32 rioReceiveMessage（UINT16 mbox, void *buf,UINT32 len）；

（3）Nread 和Nwrite 方式。此種方式可直接讀寫從設(shè)備的存儲器。數(shù)據(jù)長度在1～256 字節(jié)之間，返回的數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行對齊限制。

UINT32 rioDmaNread（UINT8 chan, UINT16 destId,UINT32 localAddr, UINT32 rioAddr, UINT32 byteCnt）；

UINT32rioDmaNwrite（UINT8 chan, UINT16 destId,UINT32localAddr, UINT32rioAddr, UINT32byteCnt）；

4 性能測試

在波特率為1.25Gbps、2.5Gbps 和3.125Gbps 時，分別測算出帶寬及效率。帶寬的計算公式為：傳輸數(shù)據(jù)量/傳輸時間；效率的計算公式為：實(shí)際帶寬/理論帶寬。性能測試結(jié)果如表1 所示。

表1 性能測試結(jié)果Tab.1Theresultofperformancetest

5 結(jié)束語

該RapidIO 總線驅(qū)動采用采用VxWorks 嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，具有高效的實(shí)時任務(wù)調(diào)度、中斷管理、實(shí)時的系統(tǒng)資源和任務(wù)通信等功能，內(nèi)核精簡并且可高度裁剪、高效、穩(wěn)定并具有良好的可移植性。性能測試表明，該系統(tǒng)滿足RapiIO 高速通信需求，達(dá)到了設(shè)計要求。

[1]李鵬.基于RapidIO 的雙主機(jī)節(jié)點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)互連設(shè)計[J].電子科技，2014，4.

[2][美]Sam Fuller，等. RapidIO 嵌入式系統(tǒng)互連[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[3]張強(qiáng).串行RapidIO 互連系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2013.

[4]Freescale Semiconductor. MPC8641 and MPC8641D Integrated Host Processor Hardware Specifications[EB/OL]. http://www.freescale.com,2009/07/2.

[5]Tundra Semiconductor Corporatiot. Tsi578TM Serial RapidlO Switch UserManual[EB/OL]. http://www.tundra.com, 2006/10/11.

[6]Wind River Systems, Ine. VxWorks Device Driver Developer' S Guide，6.4，2006，9.

[7]張娟，蘇海冰，吳欽章.基于多處理器的高速RapidIO[J].計算機(jī)工程，2014，9.