基于CPS1616型芯片的RapidIO交換機設(shè)計

李 楠，張亞瓊 ，任鵬飛

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451191； 2.河南輕工職業(yè)學(xué)院 機電工程系，河南 鄭州 450000)

圖1 六節(jié)點系統(tǒng)兩種連接方式對比Fig.1 The comparison of two kinds of topology of 6 endpoints

表1 兩種拓撲結(jié)構(gòu)收發(fā)線數(shù)量對比Tab.1 The comparison of two kinds of topology

1 RapidIO交換機板卡的硬件設(shè)計

RapidIO總線非主從結(jié)構(gòu)，各個節(jié)點地位平等，所有模塊都是RapidIO總線的節(jié)點，在系統(tǒng)內(nèi)并無差異，每個節(jié)點都可以發(fā)起對其他任意節(jié)點的訪問。RapidIO嵌入式平臺由機箱和節(jié)點板卡及交換機板卡共同組成，本研究主要討論交換機板卡的設(shè)計。

交換機板卡的主要功能是提供節(jié)點間數(shù)據(jù)交換，除交換機橋片外，還需要處理器對其進行軟件配置，但處理器只在上電配置橋片使用，其余時間空閑，所以該模塊在配置橋片后可以當作處理器模塊，這樣可充分利用處理器，也節(jié)省了一個背板槽位。綜上所述，設(shè)計該模塊時需要橋片、處理器和RapidIO節(jié)點(通常由FPGA完成)，ZYNQ芯片包含雙核ARM芯片和FPGA,配上交換機橋片即可實現(xiàn)交換機及處理器節(jié)點的功能。ARM通過I2C配置交換芯片，F(xiàn)PGA的RapidIO端口與交換機橋片的一個端口相連，作為系統(tǒng)內(nèi)的一個節(jié)點，交換機的其他端口通向背板，可連接系統(tǒng)內(nèi)的其他節(jié)點。交換機板卡硬件如圖2所示。

圖2 交換機板卡硬件Fig.2 The diagram of switch hardware

交換機板卡的核心是交換機橋片的設(shè)計，交換機橋片選用IDT公司的CPS1616,該芯片延時低，有16個交換口，符合RapidIO 2.0協(xié)議，峰值吞吐率可達80 Gb/s，每個端口支持1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s、5 Gb/s、6 Gb/s的通信速率，支持X1、X2、X4等模式。該芯片支持8級優(yōu)先級，支持各種路由模式，支持I2C或者維護包等多種配置方法，有診斷、性能監(jiān)控等功能。

交換機的配置分為硬件和軟件兩類，硬件配置主要包括設(shè)置交換機的通信速率和通信模式、I2C設(shè)備地址及總線速率，以及配置端口是否使能等。

交換機每個端口有多種通信速率可選，通信速率越高，通信帶寬就越大，會帶來卓越的通信性能，但同時也會帶來成本上升和設(shè)計風(fēng)險增加的后果，這對背板的布局布線帶來較大的挑戰(zhàn)，對節(jié)點的器件選擇也提出了更高的要求,所以要根據(jù)需求合理選擇通信速率，兼顧性能和成本。該橋片配置可通過撥碼開關(guān)SPD[0]～SPD[2]來改變交換機的串行通信速率[3]。該交換機還支持端口配置成X1、X2、X4等模式，可通過配置QCFG[0]～QCFG[7]改變端口的通信模式。

交換機寄存器軟件配置有多種方法，可分為本地配置和遠程配置。遠程配置是系統(tǒng)內(nèi)的任一節(jié)點通過發(fā)送維護包來配置交換機，本地配置通過I2C配置，所以硬件配置需要先配置ID[0]～ID[9]來確定橋片的I2C地址，然后配置FSEL[0]～FSEL[2]來確定I2C的總線速率。交換機橋片最多可連16個節(jié)點，通信速率高，故功耗大、發(fā)熱量大，所以需要關(guān)閉不用的端口以減少功耗和發(fā)熱，通過配置PD[0]～PD[15]來確定16個端口是否使能。

綜上所述，交換機橋片的配置主要為通信速率和通信模式的配置、I2C接口的配置和端口使能的配置。圖3為橋片配置部分的原理圖。

橋片除配置管腳外[4]，還有16對差分輸入管腳和16對差分輸出管腳，用于連接16個RapidIO節(jié)點，其中一對通向本板，連接本板FPGA節(jié)點，其余的連到背板，連接系統(tǒng)內(nèi)的其他節(jié)點。圖4為橋片通信部分的原理圖。

圖3 橋片配置部分原理圖Fig.3 The schematic of configuration

圖4 橋片通信部分原理圖Fig.4 The schematic of communication

2 RapidIO交換機板卡的軟件設(shè)計

交換機橋片的軟件配置主要包括橋片寄存器的初始化和橋片路由表的配置。

橋片上電后，在軟件配置之前，橋片根據(jù)硬件配置的通信速率和通信模式，首先完成各個端口的link。link是橋片和各個RapidIO節(jié)點建立物理鏈接的過程，這個過程是純粹的物理層鏈接，鏈接能否正確建立與軟件配置無關(guān)，只和交換機硬件配置及節(jié)點的硬件狀態(tài)有關(guān)[5]。端口link成功后，就可以對該端口進行軟件配置，否則就關(guān)閉該端口以降低功耗。

軟件配置首先讀出橋片各端口的link情況，根據(jù)link情況配置該橋片各個端口的寄存器。軟件初始化主要包括訪問橋片的ID，來確定橋片是否可以通過I2C訪問。讀取橋片每個端口的link狀態(tài)，設(shè)置訪問超時時間(超時時間指的是讀背板節(jié)點的超時閾值)、復(fù)位及初始化端口等。橋片的具體初始化流程如圖5所示。

RapidIO的數(shù)據(jù)包通信方式和以太網(wǎng)比較相似，支持單播、組播和廣播，都需要配置路由表，其中廣播和單播的路由配置相對固定，橋片收到任意廣播包后把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口。對于單播，橋片把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到每一個目的地址固定對應(yīng)的端口，這兩種數(shù)據(jù)包的路由配置邏輯相對固定,可以直接設(shè)計固定的路由配置表。

組播的路由表和應(yīng)用需求結(jié)合緊密，每一個節(jié)點可能屬于一個組，也可能屬于幾個組，每個組的節(jié)點數(shù)為 2～15，故組播情況靈活多變，并且橋片只支持40個組播包ID,不可能用窮舉法來設(shè)置每一種可能的組播路由。傳統(tǒng)的配置方法是每個工程應(yīng)用設(shè)計一套工程配置軟件，由于工程繁多且復(fù)雜多樣，故需要維護和測試大量的配置軟件，給工程師帶來了很大的負擔。因此，本研究提出的通用組播配置方法通過增加配置文件滿足各種應(yīng)用，使用統(tǒng)一的組播配置軟件即可滿足各種工程需求。

交換機橋片轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的原理是通過識別目標ID來判斷數(shù)據(jù)包是如何轉(zhuǎn)發(fā)的。根據(jù)橋片手冊，當ID為0X0～0XF時[6]，認定為單播ID,轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的單個端口，當ID為0X40～0X67時，認定為組播ID,根據(jù)每個ID對應(yīng)路由表發(fā)送到組內(nèi)所有端口。組播配置文件需要組播ID信息和該組所有的端口號，配置文件的數(shù)據(jù)格式用一個32位數(shù)代表一條配置信息，包含組播ID及組內(nèi)包含的所有端口，數(shù)據(jù)格式如下：① 0～15位代表組播包含的端口，這16位對應(yīng)16個端口，1代表轉(zhuǎn)發(fā)，0代表不轉(zhuǎn)發(fā)；②16～23位為組播ID；③31～24位為保留位。

設(shè)計好配置文件，拷入交換機板卡的板載SD卡[7]，ARM上電后先讀取路由配置文件，再來逐條生成路由表寫入橋片，完成組播路由配置。具體流程如圖6 所示。

圖5 橋片初始化流程Fig.5 The flowchart of initiation

圖6 橋片路由表配置流程Fig.6 The flowchart of route configuration

3 結(jié)語

本研究主要討論了基于CPS1616型芯片的RapidIO交換板的設(shè)計，針對交換機的硬件配置及設(shè)計、橋片軟件的初始化、路由表的配置，特別是組播路由表的配置都提出了相應(yīng)的方法，可以為其他設(shè)計者提供參考。目前RapidIO交換板已經(jīng)設(shè)計完成并且投入使用，使用情況良好。