串行RapidIO交换技术

摘要 高性能嵌入式信号处理系统对芯片间及板间互联的带宽、成本、灵活性及可靠性的要求不断提高而传统的互联方式无法满足日益增长的性能要求。基于此背景，文中研究了当前嵌入式系统互联唯一的国际标准RapidIO的组网技术及交换原理，给出了一种基于Tsi578芯片的可重构分布式并行处理互联网络的组网方案。经验证，交换模块性能稳定，实现了动态和静态的可重构。
关键词 RapidIO协议；系统互联；实时信号处理；数据交换

当前，集成工艺水平的飞速发展使得现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、数字信号处理器(Digital Signal Proeessor，DSP)以及专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)等处理器内核性能得到了较大的提升，表征处理器处理能力的时钟频率呈指数增长。于此同时随着语音数字输入、图像处理和阵列雷达等需大量实时数据处理需求的出现，仅靠单个处理器无法满足大数据量的高速实时处理要求，分布式并行处理成为提高系统性能的有效解决途径，已广泛应用于高速实时信号处理领域。
影响分布式并行处理系统性能的因素主要包括：处理器的性能、处理单元的互联网络以及并行算法和任务的分配。在处理器性能得到保证以及并行算法和任务分配确定的前提下，处理单元之间的互联方式成为系统性能提升的瓶颈。传统并行总线由于其自身缺陷已无法满足系统的互联通信需求，新兴的高速串行传输方式取代并行成为互联通信的主流。其中，串行RapidIO(Serial RapidIO)以其低引脚数，基于报文
交换的互联体系结构，高带宽、低延时、高效率及高可靠性等优点成为嵌入式系统互联的国际标准，为高性能嵌入式系统互联提供了良好的解决方案。文中讨论的重点是分析RapidIO的交换原理并完成了一种基于IDT公司Tsi578芯片的基于交叉开关的可重构组网方案的设计。

1 RapidIO协议概述
RapidIO是一种开放的嵌入式互联标准，由RapidIO行业协会支持开发，并指导其构架的未来发展方向。RapidIO技术最初是由Freescale和Mercury共同研发的一项互连技术，既可作为处理器的前端总线，用与处理器之间的互连，还可作为系统级互连的高效前端总线而使用。19 99年完成第一个标准的制定，当前最新版本为Version2．0。RapidIO已经成为电信，通讯以及嵌入式系统内的芯片与芯片之间，板与板之间的背板互连技术的生力军。
RapidIO操作是基于请求和响应事物的。包是系统中端点器件间的基本通信单元。发起器件或主控器件产生一个请求事物，该事物被发送至目标器件。目标器件产生一个响应事物返回至发起器件来完成该次操作。RapidIO互联定义包括两类技术：面向高性能微处理器及系统互联的并行接口；面向串行背板、DSP和相关串行控制平面应用的串行接口。与以太网协议类似，RapidIO也采用分层结构，由逻辑层、传输层和物理层构成。图1所示为其协议的分层结构。逻辑层规范位于最高层，定义了协议和包的格式，为端点器件发起和完成事物提供必要的信息。传输层规范位于中间层，定义RapidIO地址空间和在端点器件间传输所需的路由信息。物理层规范在整个分层结构的底层，包括器件接口的细节，如包传输机制、流量控制、电气特性和低级错误管理等。

RapidIO最明显的一个特点就是采用了单一的公用传输层规范来相容、汇聚不同的逻辑层和物理层，单一的传输层实体增强了RapidIO的适应性，方便互联网络的设计。