基于OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)的寬帶信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)

尹志偉

引言：本文給出了一種基于OpenVPX總線標(biāo)準(zhǔn)的寬帶數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)平臺(tái)具有開(kāi)放的總線架構(gòu)，可兼容RapidIO、千兆以太網(wǎng)等通用的高速串行總線協(xié)議，可應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)、工業(yè)控制、國(guó)防應(yīng)用等多個(gè)領(lǐng)域。文章詳細(xì)描述了寬帶信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，并分析了該平臺(tái)的性能和技術(shù)難點(diǎn)。

概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線的發(fā)展至今主要有兩個(gè)大的趨勢(shì)：一、從并行總線向串行總線發(fā)展；二、從單一的專用型總線向開(kāi)放式架構(gòu)發(fā)展。

早期的系統(tǒng)總線多以并行總線為主[1]，如ISA、PCI、VME、CPCI等，但在進(jìn)一步提高總線速率時(shí)遇到瓶頸，而串行總線由于引進(jìn)了光通信領(lǐng)域的SERDERS技術(shù)，從而很好的解決這一難題。目前已有多種基于高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用，如Serial Rapid IO、PCI Express、Infiniband、HyperTransport、GigE等。

然而，上述總線大都是狹義的總線協(xié)議，并未從硬件角度給出相應(yīng)的工業(yè)規(guī)范。在全球工業(yè)控制和國(guó)防領(lǐng)域，傳統(tǒng)的CPCI和VME是競(jìng)爭(zhēng)死敵，各種的總線通信協(xié)議和硬件規(guī)范互不相容。而隨著技術(shù)的發(fā)展和寬帶信號(hào)處理需求的日益增多，現(xiàn)在發(fā)展的VPX及ATCA兩種先進(jìn)總線標(biāo)準(zhǔn)改變了以往的狹隘設(shè)計(jì)，將工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成為開(kāi)放式的架構(gòu)，可以為多種總線協(xié)議提供了具有兼容性的硬件規(guī)范，使得設(shè)計(jì)師靈活的應(yīng)用各種總線。

一、OpenVPX總線標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

VPX是指2007年由VITA組織發(fā)布的VITA46及VITA48系列標(biāo)準(zhǔn)[2]，該標(biāo)準(zhǔn)是繼承了VME工業(yè)總線的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，保留了工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的歐標(biāo)板卡尺寸（支持3U和6U兩種板卡），采用新的高速接插件（RT2）技術(shù)，支持多種高速串行總線。VPX總線在設(shè)計(jì)之初就考慮了未來(lái)的發(fā)展和可擴(kuò)展性，從根本上解決了VME的不足。

2010年4月，VITA組織正式發(fā)布了VITA65系列標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)稱為OpenVPX。OpenVPX是VPX總線標(biāo)準(zhǔn)的繼承和發(fā)展，原有的VPX標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)硬件規(guī)范和板卡級(jí)信號(hào)定義進(jìn)行說(shuō)明，而OpenVPX是在VPX的硬件標(biāo)準(zhǔn)上給出了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為該類總線的開(kāi)放性、通用性提供了標(biāo)準(zhǔn)的參考體系[3]。至此VPX總線標(biāo)準(zhǔn)成為了從機(jī)械結(jié)構(gòu)、熱設(shè)計(jì)、信號(hào)定義、通信協(xié)議、系統(tǒng)組織架構(gòu)等各個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

二、平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

寬帶信號(hào)處理平臺(tái)采用常規(guī)的背板+載板架構(gòu)。其中背板為各個(gè)載板提供相互之間總線通信的通道，同時(shí)提供電源、系統(tǒng)時(shí)鐘等公共信號(hào)。背板的槽位按照信號(hào)定義可分為管理槽位和通用槽位。背板中管理槽位一般情況下只有一個(gè)，其信號(hào)定義有別于通用槽位，而通用槽位有多個(gè)，每個(gè)槽位的信號(hào)定義基本一樣，可以保證通用板卡在任何一個(gè)通用槽位中都可正常工作。

寬帶信號(hào)處理平臺(tái)背板的組織架構(gòu)如下圖所示：

圖1 寬帶信號(hào)處理平臺(tái)基本架構(gòu)

根據(jù)背板通道功能的不同，背板上的通道可分為四種：公用通道、管理通道、控制通道、數(shù)據(jù)通道。

公用通道：是指各單元板卡共用資源的通道，主要是指電源和時(shí)鐘信號(hào)的通道。背板上各板卡的供電是由外置電源通過(guò)背板提供到各單板的。

管理通道：主要是指智能管理平臺(tái)總線（IPMB），該總線是基于一條與各槽位均連接I2C雙串行信號(hào)線實(shí)現(xiàn)的。管理板可以通過(guò)IPMB對(duì)其他各板卡進(jìn)行功能識(shí)別以及狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如管理板可以通過(guò)IPMB獲取各板卡的位號(hào)、電壓、溫度、正常/故障等信息，該功能需要各單元板卡配置特定的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制通道：是指以管理單元為中心節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)淝д滓蕴W(wǎng)絡(luò)，主控交換單元通過(guò)該通道對(duì)其他各功能單元進(jìn)行下發(fā)指令或交互協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)業(yè)務(wù)狀態(tài)的控制。

數(shù)據(jù)通道：是指以主控交換單元為中心節(jié)點(diǎn)的星型拓?fù)銻apid IO交換網(wǎng)絡(luò)，各負(fù)載模塊之間數(shù)據(jù)交互均需要通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

寬帶信號(hào)處理平臺(tái)中載板可分為兩類：管理板和通用板，按照具體功能細(xì)分，管理板也稱為主控交換板，而通用板可分為信號(hào)處理板和數(shù)據(jù)采集板兩類。該平臺(tái)中基本的寬帶信號(hào)流程是：數(shù)據(jù)采集板將模擬信息進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，然后該數(shù)字信號(hào)通過(guò)背板的數(shù)據(jù)通道傳輸給管理板，管理板再將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理板，從而完成對(duì)寬帶數(shù)據(jù)的解析和處理。在寬帶無(wú)線系統(tǒng)中，寬帶信號(hào)有接收和發(fā)送兩個(gè)流程，前面流程對(duì)應(yīng)信號(hào)的接收流程，發(fā)送流程與之相反。

上述架構(gòu)符合OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)中3U六槽的中心式背板模型，即BKP3-CEN06-15.2.2-n。因此，對(duì)應(yīng)板卡也可以參照OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)中給出的對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

為了滿足寬帶信號(hào)處理速率需求，我們采用4x 串行RapidIO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而控制總線采用的千兆以太網(wǎng)。在OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)應(yīng)的管理板的模型型號(hào)為：SLT3-SWH-5F5U-14.3.1，該模型為管理板規(guī)劃了5條FP（FatPlane），和5條UTP（UltraThinPlane）。其中，F(xiàn)P代表4組高速差分對(duì)，而UTP代表1組高速差分對(duì)，每組高速差分對(duì)含有4根線，2條收，2條發(fā)。相應(yīng)的通用板模型型號(hào)為SLT-PAY-1F2F2U-14.2.2[3]。

關(guān)于具體板卡的實(shí)現(xiàn)，目前技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而且市面上有廠家的板卡可供選擇，只要是滿足OpenVPX對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的板卡，都可以用來(lái)搭建寬帶信號(hào)處理硬件平臺(tái)，這也是OpenVPX總線架構(gòu)開(kāi)放性的很好體現(xiàn)，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的“貨架式”理念。

三、總線拓?fù)湔撟C

寬帶信號(hào)處理平臺(tái)是一個(gè)通用的、可靈活配置的系統(tǒng)平臺(tái)，在OpenVPX標(biāo)準(zhǔn)中給出了兩種系統(tǒng)組織的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為：集中交換式拓?fù)洌葱切屯負(fù)洌┖腿ヂ?lián)拓?fù)洌‵ull Mesh）。顯然，在上節(jié)論述中，我們采用了集中交換式拓?fù)?。下面我們就這一選擇進(jìn)行論述。

集中交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中需要一個(gè)專門(mén)負(fù)責(zé)總線交換的單元模塊，所有其他單元之間的數(shù)據(jù)交互均由該交換單元來(lái)完成。這種結(jié)構(gòu)便于系統(tǒng)對(duì)各功能單元的集中控制和管理。集中交換拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于要求該交換單元具有足夠大的數(shù)據(jù)吞吐能力和足夠小的總線交換延時(shí)。目前已有芯片廠商解決了該難題，設(shè)計(jì)出快速總線交換芯片，可以滿足我們的需求。

圖2 集中交換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

全互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，該結(jié)構(gòu)中任意兩個(gè)功能單元之間均有相互直聯(lián)的總線，不需要增加交換單元便可實(shí)現(xiàn)任意單元間的總線通信，同樣這種結(jié)構(gòu)也可保證總線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。但這類結(jié)構(gòu)需要每個(gè)功能模塊都有個(gè)總線接口（其中N為系統(tǒng)中功能單元總數(shù)），這種情況下，系統(tǒng)中總線的數(shù)量總數(shù)為：

假設(shè)我們需要5塊功能單元，則每個(gè)功能單元應(yīng)具有4個(gè)總線接口，且需要連接10條總線通路。而目前主流處理器芯片一般只能提供2個(gè)4x的的高速串行總線接口，要想實(shí)現(xiàn)5塊功能單元，只能為每個(gè)單板配置多個(gè)同樣的芯片，這樣不僅會(huì)增加單元板的復(fù)雜度和成本，而且也會(huì)使系統(tǒng)背板布線非常復(fù)雜，也不利于系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

圖3 全互聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于以上分析，我們?cè)谏掀脚_(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)是選用了集中交換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)。如果該類架構(gòu)中需要的板卡比較多，建議采用6U的板卡設(shè)計(jì)，同時(shí)提高管理板的總線吞吐能力。

四、性能分析

以目前國(guó)內(nèi)高速總線實(shí)現(xiàn)的普通水平為例，單路RapidIO至少可達(dá)到2.5Gbps數(shù)據(jù)吞吐量，而對(duì)應(yīng)4x RapidIO，則可實(shí)現(xiàn)至少10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸帶寬。10Gbps的處理帶寬可以滿足目前大部分實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)合。如果有更高帶寬的處理要求，可采用6U板卡，可實(shí)現(xiàn)近3倍于3U板卡的帶寬吞吐能力，即30Gbps。

該平臺(tái)采用開(kāi)放式總線架構(gòu)，各單元與總線接口均符合所采用開(kāi)放式總線接口標(biāo)準(zhǔn)。單元板均為統(tǒng)一尺寸的標(biāo)準(zhǔn)單元板卡，采用標(biāo)準(zhǔn)總線架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)該平臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)主要在于高速PCB的設(shè)計(jì)。

高速PCB設(shè)計(jì)主要難點(diǎn)在于高速信號(hào)的信號(hào)完整性設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要采取多種技術(shù)措施來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠性，首先在PCB分層時(shí)考慮高速信號(hào)的特殊要求，其次在布線時(shí)對(duì)高速差分對(duì)要單獨(dú)設(shè)置嚴(yán)格的約束條件，布線完成后要借用軟件對(duì)布線效果進(jìn)行信號(hào)完整性仿真，最終還要通過(guò)實(shí)際測(cè)試后才能確定PCB是否滿足高速總線要求。

結(jié)論

本文給出了基于OpenVPX總線標(biāo)準(zhǔn)的寬帶信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)分析，通過(guò)對(duì)OpenVPX系統(tǒng)總線的剖析和應(yīng)用，給出了一種通用化的、且可靈活配置的寬帶信號(hào)處理平臺(tái)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)針對(duì)系統(tǒng)的組織拓?fù)溥M(jìn)行論證分析。該通用平臺(tái)可滿足高速無(wú)線通信系統(tǒng)的需求，還可應(yīng)用與雷達(dá)信號(hào)處理、圖像視頻處理等高性能、高帶寬的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

[1]楊剛；龍海燕；楊晞，計(jì)算機(jī)總線發(fā)展新趨勢(shì)[J]微計(jì)算機(jī)信息，2003.1.15.

[2]ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard [s]，2007.

[3]ANSI/VITA65-2010，OpenVPX TM System Specification[s]，2010.

（作者單位：廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司）