|
在過去的30多年時間內，處理器的主頻和性能呈現指數上升的趨勢，而與之相對應的處理器總線傳送能力的增長卻相對緩慢的多，這就導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算和處理系統的瓶頸。現代的高性能計算系統和網絡存儲系統需要更高速率的數據傳送。高帶寬、低延遲，高可靠性成為衡量一個總線技術的基本要求。 一、 傳統總線的問題 傳統總線多采用并線總線的工作方式，這類總線一般分為三組：數據線，地址線和控制線。實現此類總線互連的器件所需引腳數較多，例如對于64位數據寬的總線，一般由64根數據線，32－40根地址線以及30根左右的控制線，另外由于半導體制造工藝的限制還要加上一定數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，傳統總線多采用增加數據總線的寬度或是增加總線的頻率的方式來實現。如PCI總線支持25M、33M、50M、66M的工作頻率，PCI－X總線是在PCI總線結構的基礎上進得到的一種總線結構，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據寬度為128bit 或是256bit的總線，但很少有人會選用這樣的總線，因為增加總線頻率和數據帶寬雖然一定程度上滿足了人們對高速數據傳送的需求，但同時也帶來了一些新的問題。更寬的總線導致器件引腳數的增加，從而增加封裝尺寸，當然帶來成本上的增加。 另一個問題是當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備，在總線上增加器件相當于增加容性負載，而容性負載的增加意味著裝載或排空電荷使總線達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是以太網，近些年來，以太網在存儲、電信、通訊、無線、工業應用以及嵌入式應用中得到大量的應用，現有的成熟的硬件和協議棧降低了開發的復雜性和產品的開發成本。但是在局域網和廣域網中得到很好應用的以太網用于這種芯片級或是板極的系統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，造成軟件模塊化結構不清晰。尤其是當背板的傳輸速率從1Gbps增加到10Gbps時，增加的處理要求已經超出了以太網的能力。 二、什么是Rapid IO Rapid IO技術最初是由Freescale 和Mercury 共同研發的一項互連技術，其研發初衷是作為處理器的前端總線，用于處理器之間的互連，但在標準制定之初，其創建者就意識到了RapidIO還可以做為系統級互連的高效前端總線而使用。1999年完成第一個標準的制定，2003 年5月，Mercury Computer Systems公司首次推出使用Rapid IO技術的多處理器系統ImpactRT 3100, 表明Rapid IO已由一個標準制定階段進展到產品階段，到目前為止，Rapid IO已經成為電信，通迅以及嵌入式系統內的芯片與芯片之間，板與板之間的背板互連技術的生力軍。 Rapid IO 是針對嵌入式系統的獨特互連需求而提出的，那么我們首先來說明嵌入式系統互連的一些基本需求：嵌入式系統需要的是一種標準化的互連設計，要滿足以下幾個基本的特點：高效率、低系統成本，點對點或是點對多點的通信，支持DMA操作，支持消息傳遞模式交換數據，支持分散處理和多主控系統，支持多種拓樸結構；另外，高穩定性和QOS也是選擇嵌入式系統總線的基本原則。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議，使協議盡量簡單；二是對軟件的制約要少，層次結構清晰；三是專注于機箱內部芯片與芯片之間，板與板之間的互連。 Rapid IO采用三層分級的體系結構，分級結構圖如下圖所示： 
由此圖可見，Rapid IO協議由邏輯層、傳輸層和物理層構成。最明顯的一個特點就是Rapid IO采用了單一的公用傳輸層規范來相容、會聚不同的邏輯層和物理層，單一的邏輯層實體增強了Rapid IO的適應性。 物理層定義了串行和并行兩個實體，得到廣泛應用的只有串行方式，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10Gbps。目前Rapid IO的標準是Version1.3，在未來的Version2.0規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的差分線上傳送，不在數據流中編碼，頻率在250M-1.0G之間。相比串行總線而言，無多少優點 可言，所以只是在最初有支持這種總線的芯片出現，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（與之相對應的數據速率分別是1.0G，2.0G，2.5Gbps）。
圖：Control symbol 包的結構 Rapid IO是一種基于可靠傳送的協議，每一個數據據包的傳送均要求對端在物理層上響應一個控制符號包，此包是一個4個字節的數據包，表明了數據包的傳送狀態，數據包是否被對方接方，還是要求重新發送或是包未被接收。發送方和接收方均可以使用控制符號包來獲得對方的狀態。
圖：Rapid IO包結構及物理層組成 Ack ID被接收方用作發送響應包的ID號，表明此包是否被接收端接收，或是需要重傳。Rapid IO協議定義了兩個bit位用于表示包的優先級，所以共有4個優先等級，0是最低的，3是最高的，優先級高的包將被交換器優先傳送。 每一個數據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據包的完整性，小于80個字節的數據包只有一個CRC，大于80個字節的數據包除了在第80個字節后有第一個CRC字段后，還會在包的末尾再加上一個CRC字段，實現數據包的檢錯，自動糾錯和自動重傳的功能，保證數據包被對端完整正確的接收。第一個CRC字段可用于對大數據包包頭的驗證，這樣就可以在整個數據包被接收下來之前就可以進行對數據包的處理，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，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，當然如果HOP＿COUNT字節有變化時，CRC還是需要重新計算的。 傳輸層： Rapid IO的第二層是傳輸層，實現Rapid IO數據包的路由、傳送。所有的邏輯層協議均使用單一的傳輸層實體來實現，這樣無論邏輯層怎么變化，或是采用何種方式來封裝應用，都可以用單一的傳輸層實體來實現，即使有新的邏輯層規范出現，也可以用這個單一的傳輸層來實現。
Rapid IO的路由和交換是通過每個終端設備的ID號來實現的。每一個終端都會分配一個唯一的ID號，當一個終端發出一個數據包時，在它的包頭中包含有目的終端的ID號和發送源端的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，根據此表就可以決定此數據包由那一個端口送出。每個端口的路由表需要在系統初始化時進行配置，這與以太網相比，顯得不是非常的靈活和智能，但正是如此，使得系統的路由實現變得非常簡單。同樣對于組播功能的實現也變得簡單，只是由單一的傳輸層就可以實現了。
Rapid IO系統構成如左圖，包括兩類器件，一個是終端，產生數據包和接收數據包；另一類是交換器，實現數據包在各個端點間的路由和傳送，且不對數據包做解釋。 Rapid IO的傳輸層包頭中的另一個字節是HOP_COUNT，是用來實現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行配置，當交換器收到一個數據包時，它會首先判斷收到包的HOP_COUNT值，如果此值是0則由此交換器終結此數據包，交換器利用此數據包的數據進行讀寫操作；如果此值不是0，則交換器將此值減一，然后按照目的ID值查路由表進行轉發。如果是要對級連的多個交換器進行配置，可以在發送這些維護包時設置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的體系結構中定義了6種基本操作，用來執行相應操作的事務和對操作的描述。這6種操作包括：NREAD（讀）、NWRITE（寫）、NWRITE_R (寫操作，但操作結束前需要等等一個響應)；SWRITE（流寫，面向大數據量DMA傳送）；Atomic（原子操作：讀－修改－寫）；Maintenance（維護包，以Rapid IO專用寄存器為目標的事務，如：系統發現，初始化、配置以及系統維護）。
在消息傳遞系統中，經常使用兩種機制將命令或數據從一個器件到另一個器件，一個是DMA（直接內存訪問），另一個是messaging(消息)。使用消息傳送時，發送端只須訪問目標，而不需要象DMA方式那樣，還需對目標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，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類消息數據所最大的載荷是4096字節，可以由16個消息事務組成，每個最大載荷是256字節。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，這樣發送方可以同時發送4個信件到同一個目標信箱。 除此，Rapid IO也具備Data Streaming的邏輯層協議，為封裝和傳輸通過Rapid IO交換器的數據流提供一種標準方法。支持獨立流事務，通過SAR功能支持長度可變的PDU，且與內部的PDU協議無關，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構，為了支持固定、較小的包長，必須對較長PDU分段處理，數據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（Continuation）和結束（End）, 當然可能會有多個繼續段。虛擬流被定義為協議數據單元定序集，可以對各個數據流進行識別，在輸入輸出器件對之間可以只存在一個單獨的流，系統也可以為每一用戶和流量類型的組合分配一個單獨的流，使用虛擬流標識最多可標識四百萬個流，特定的流量級別可以提供基于優先級、延遲和吞吐率等因素的流量商定，可以根據中最高位的優先次序處理交換結構中的流量。 流量控制是任何互連技術的重要內容，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，由于業務流與物理連接和系統拓樸結構相關，規定流量控制為Rapid IO物理層規范的內容，同時定義了重傳、限速和基于信用三種流控方式，保證Rapid IO數據流的正確傳送。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，發往同一個或多個目的地的流量會很大程度上降低系統的性能，端到端的流量控制使用由交換或是端點器件產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，源端可根據收到的控制包暫停發送數據包一定時間，通過限制源頭流量來達到流量控制的目的。單一的Rapid IO傳輸層結構使得擁塞數據控制包的傳送變得非常簡單，交換結構只是把他當作普通數據包進行傳送，但包的優先級可能不同。 三、 Rapid IO在高速系統設計中的應用 目前，Rapid IO在無線基站系統中已經得到了廣泛的應用，同樣在視頻處理，語音處理，高性能計算機及存儲領域也會得到越來越多的應用。在實現芯片到芯片之間、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，對于簡化系統設計、高帶寬、低延時等特點也被開發人員廣泛接受。 下一代的Rapid IO在應用上也要向機箱與機箱間的高速互連方向上發展，同時也會提供更高的傳輸速率，2.0規范中已經可以實現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的應用前景會越來越光明。 作者：加拿大騰華半導體上海代表處 資深技術支持工程 裴濟杰 上海市人民路885弄淮海中華大廈1410室 電話：021－63114043 13501798266 郵編：200070 |
