Serial RapidIO: tecnología de interconexión integrada de alto rendimiento_Computación integrada de alto rendimiento
Este artículo comparará RapidIO y las tecnologías de interconexión tradicionales, presentará la arquitectura del protocolo RapidIO, el formato de paquete, la topología de interconexión, las especificaciones de la capa física RapidIO en serie y su aplicación en infraestructura inalámbrica. Serial RapidIO (SRIO) está diseñado para la interconexión entre chips y entre placas de sistemas integrados de alto rendimiento, y es una de las mejores opciones para la interconexión de sistemas integrados en los próximos diez años.
Comparación con los métodos tradicionales de interconexión integrada.
La Figura 1 muestra la aplicación de la interconexión RapidIO en sistemas integrados. Con el desarrollo continuo de sistemas integrados de alto rendimiento, las interconexiones entre chips y entre placas tienen requisitos cada vez más altos de ancho de banda, costo, flexibilidad y confiabilidad. Los métodos de interconexión tradicionales, como el bus del procesador, el bus PCI e Internet Ethernet, son difíciles. para satisfacer nuevas necesidades.
La Tabla 1 resume y compara tres tecnologías de interconexión con anchos de banda que pueden alcanzar loGb/S: Ethernet, PCI Express y Serial RapidIO. Se puede ver que RapidIO serial es más adecuado para aplicaciones de sistemas integrados de alto rendimiento.
Protocolo Serial RapidIO
La Asociación de la Industria RapidIO se estableció en 2000. Su propósito es desarrollar tecnología de interconexión basada en paquetes confiable y de alto rendimiento para sistemas integrados. Serial RapidIO es un estándar RapidIO que utiliza transmisión de señales analógicas diferenciales en serie en la capa física. Las velocidades de señal admitidas por RapidIO1.
Actualmente, casi todos los proveedores de equipos y chips de sistemas integrados se han unido a la Asociación de la Industria RapidIO. Tomemos como ejemplo Texas Instruments (TI). TI se unió a la organización en 2001 y se convirtió en miembro del comité de liderazgo en 2003. A finales de 2005, TI lanzó el primer DSP que integraba SRIO y posteriormente lanzó sucesivamente cinco DSP compatibles con SRIO, lo que permitió el lanzamiento completo de la aplicación RapidIO.
Solo la estructura del protocolo RapidIO y el formato del paquete
Para cumplir con los requisitos de flexibilidad y escalabilidad, el protocolo RapidIO se divide en tres capas: capa lógica, capa de transporte y capa física. , como se muestra en la figura 2 mostrada. La capa lógica define el protocolo operativo; la capa de transporte define los mecanismos de conmutación, enrutamiento y direccionamiento de paquetes; la capa física define las características eléctricas, el control del enlace y la corrección y retransmisión de errores.
Al igual que Ethernet, RapidIO también es una tecnología de interconexión basada en la conmutación de paquetes. Como se muestra en la Figura 3, el paquete RapidIO consta de un encabezado, datos de carga útil opcionales y una verificación CRC de 16 bits. La longitud del encabezado del paquete puede ser de más de diez a veinte bytes según el tipo de paquete. La longitud de los datos de carga útil de cada paquete no supera los 256 bytes, lo que resulta beneficioso para reducir los retrasos en la transmisión y simplificar la implementación del hardware.
La definición de formato de paquete anterior tiene en cuenta la eficiencia del paquete y la simplicidad de empaquetado/desempaquetado. Los dispositivos de conmutación RapidIO solo necesitan analizar los primeros y últimos 16 bits, así como el ID del dispositivo de origen/destino, lo que simplifica la implementación del dispositivo de conmutación.
Protocolo de capa lógica
La capa lógica define el protocolo operativo y el formato de paquete correspondiente. Los servicios de capa lógica admitidos por RapidIO son principalmente IO/DMA directo (Direct IO/DirectMemory Access) y paso de mensajes (Message Passing).
El modo IO/DMA directo es el método de transmisión más simple y práctico. La premisa es que el dispositivo maestro conoce la asignación de memoria del extremo al que se accede. En este modo, el dispositivo maestro puede leer y escribir directamente en la memoria del dispositivo esclavo. Las funciones de IO/DMA directo en el extremo al que se accede a menudo se implementan completamente mediante hardware, por lo que el dispositivo al que se accede no tiene ninguna carga de software. Funcionalmente, esta característica es similar a la interfaz de host tradicional (HPI) de TI DSP. Sin embargo, en comparación con el puerto HPI, SRIO tiene mayor ancho de banda, menos pines y métodos de transmisión más flexibles.
El modo de paso de mensajes es similar al modo de transmisión Ethernet. No requiere que el dispositivo maestro conozca el estado de la memoria del dispositivo al que se accede. La ubicación de los datos en el dispositivo al que se accede está determinada por el número del buzón (similar al número de puerto en el protocolo Ethernet). El dispositivo esclavo guarda los datos en el búfer correspondiente de acuerdo con el número de buzón del paquete recibido. Este proceso a menudo no se puede implementar completamente mediante hardware y requiere asistencia de software, por lo que traerá cierta carga de software.
Protocolo de capa de transporte
RapidIO es una tecnología de interconexión basada en la conmutación de paquetes. La capa de transporte define el mecanismo de enrutamiento y direccionamiento de la conmutación de paquetes.
La red RapidIO se compone principalmente de un dispositivo terminal (End Point) y un dispositivo de conmutación (Switch). El dispositivo terminal es el origen o destino del paquete de datos y los diferentes dispositivos terminales se distinguen por sus ID de dispositivo. RapidIO admite ID de dispositivos de 8 o 16 bits, por lo que una red RapidIO puede acomodar hasta 256 o 65536 dispositivos finales. Al igual que Ethernet, RapidIO también admite transmisión o multidifusión. Además de una ID de dispositivo única, cada dispositivo terminal también se puede configurar con una ID de transmisión o multidifusión.
El dispositivo de conmutación reenvía el paquete según la ID del dispositivo de destino del paquete. El dispositivo de conmutación en sí no tiene una ID de dispositivo.
La topología de interconexión de RapidIO es muy flexible. Además de los dispositivos de conmutación, también se pueden interconectar dos dispositivos terminales directamente. Tomando como ejemplo el TMS320C6455DSP de TI, tiene cuatro puertos SRIO de 3125G. La topología admitida se muestra en la Figura 4.
Protocolo de capa física
El protocolo RapidIO1.X define los siguientes dos estándares de interfaz de capa física: protocolo LVDS paralelo 8/16 y protocolo serie 1X/4x (SRIO).
Es difícil utilizar RapidIO en paralelo debido a la gran cantidad de líneas de señal (40 a 76), mientras que RapidIO en serie 1X/4x tiene solo 4 o 16 líneas de señal y gradualmente se está convirtiendo en algo común.
Serial RapidIO se basa en la tecnología SerDes, ahora ampliamente utilizada para interconexiones de backplane, que utiliza señales diferenciales acopladas a CA. Las señales de acoplamiento de CA diferencial tienen las ventajas de una fuerte antiinterferencia, alta velocidad y larga distancia de transmisión. La calidad de las señales diferenciales acopladas a CA no se mide mediante parámetros de temporización tradicionales, sino mediante el diagrama de ojo. Cuanto más abiertos estén los "ojos" en el diagrama de ojo, mejor será la calidad de la señal. La Figura 5 es un diagrama de ojo de señal RapidIO en serie típico.
Para admitir la transmisión full-duplex, las señales del transceptor RapidIO en serie son independientes, por lo que cada puerto RapidIO en serie consta de 4 líneas de señal. La interfaz RapidIO serie lx/4x estándar admite 4 puertos y hasta 16 líneas de señal. Estos cuatro puertos se pueden utilizar como interfaces independientes para transmitir diferentes datos; también se pueden combinar como una sola interfaz para mejorar el rendimiento de una sola interfaz.
El DSP MS320C6455 de TI integra una interfaz RapidIO serial estándar 1x/4x, como se muestra en la Figura 6.
Al enviar, la capa lógica y la capa de transporte codificarán CRC el paquete ensamblado y luego lo enviarán al FIFO de la capa física. El módulo "codificación 8b/10b" codifica cada dato de 8 bits en 10. -bits, el módulo de "conversión paralelo/serie" convierte datos paralelos de 10 bits en bits en serie, y el módulo de envío convierte los bits digitales en señales de acoplamiento de CA diferencial y los envía por la línea de señal. ¿El proceso de recibir?
Aplicación de Serial RapidIO en infraestructura inalámbrica
Las infraestructuras inalámbricas, como estaciones base, puertas de enlace de medios, etc., son sistemas de comunicación integrados típicos de alto rendimiento y tienen un gran impacto en la interconexión. El ancho de banda, el retraso, la complejidad, la flexibilidad y la confiabilidad tienen requisitos muy altos. Serial RapidIO es la mejor opción para cumplir con estos requisitos.
Tome la estación base inalámbrica como ejemplo. Antes de la aparición de SRIO, el diagrama de bloques típico del procesamiento de banda base de la estación base inalámbrica se muestra en la Figura 7.
En las estaciones base tradicionales, la interconexión entre DSP y ASIC o FPGA generalmente utiliza la interfaz de memoria externa (EMIF), y la interconexión entre DSP o entre DSP y el host generalmente utiliza HPI o PCI. Sus principales desventajas son: ancho de banda pequeño, muchas líneas de señal, interfaz en modo maestro-esclavo y falta de soporte para transmisión de igual a igual. Además, DSP no puede realizar directamente la transmisión en el backplane.
El uso de SRIO puede resolver eficazmente estos problemas y mejorar en gran medida el rendimiento de la interconexión de las estaciones base inalámbricas. La Figura 8 muestra un diagrama de bloques de interconexión de banda base de una estación base inalámbrica. Aquí, SRIO realiza la interconexión entre la mayoría de los dispositivos e incluso puede admitir DSP para transmisión directa en el backplane.
La interconexión de dispositivos conmutados a través de SRIO puede mejorar aún más la flexibilidad del procesamiento de banda base. La Figura 9 muestra un diagrama de bloques de una banda base. Se presenta la interconexión de conmutación SRIO. Este tipo de interconexión favorece la implementación de una arquitectura avanzada de grupo de recursos de procesamiento de banda base. Los datos se pueden enviar a cualquier procesador interconectado a través del conmutador SRIO, logrando así el equilibrio de carga de cada procesador y utilizando de manera más efectiva la capacidad de procesamiento general del sistema.
En resumen, RapidIO serial es la mejor tecnología de interconexión para sistemas integrados, especialmente infraestructura inalámbrica. El ancho de banda de hasta 10 Gb/s, la baja latencia y la baja complejidad del software satisfacen los exigentes requisitos de rendimiento de la tecnología de comunicación en rápido desarrollo; la tecnología de señal analógica diferencial en serie cumple con las limitaciones del sistema en cuanto al número de pines y los requisitos de transmisión de backplane; La interconexión de peering de puntos, la interconexión de conmutación y las tres velocidades opcionales de 1,25G/2,5G/3,125G pueden satisfacer las necesidades de una variedad de aplicaciones diferentes.