基于國產(chǎn)關(guān)鍵芯片的軟件定義交換模塊設(shè)計(jì)

婁曉明 宣志祥 王子劍 顧燕飛

摘? 要：文章設(shè)計(jì)了基于國產(chǎn)關(guān)鍵芯片的軟件定義交換模塊，打破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的剛性體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全維軟件定義的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，從而將剛性網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槿嵝跃W(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建可定義、可重組、可重構(gòu)、可重建的軟件定義體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的融合互聯(lián)，提高互聯(lián)效率，減小融合時(shí)性能和實(shí)時(shí)性的下降。軟件定義交換模塊通過軟件配置或升級(jí)，實(shí)現(xiàn)RapidIO、以太網(wǎng)或FC三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單一協(xié)議、三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議混合無轉(zhuǎn)換和三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議混合轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)交換。

關(guān)鍵詞：軟件定義;數(shù)據(jù)交換;國產(chǎn)PowerPC處理器;柔性;剛性體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN911.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0043-08

Abstract： The paper designs software-defined switch module based on domestic key chip， breaks the rigid architecture of the existing network， realizes the full-dimensional software-defined network architecture， thus， the rigid network is changed into a flexible network. The paper builds a software-defined architecture that is definable， reorganizable， reconfigurable， and rebuilding， realizes the fusion and interconnection between heterogeneous networks， improves the efficiency of interconnection and reduces the degradation of performance and real-time performance during fusion. The software-defined switch module realizes the data exchange of RapidIO， Ethernet or FC single protocol， three network protocols mixed without conversion and three network protocols mixed conversion through software configuration or upgrade.

Keywords： software defined; data switching; domestic PowerPC processor; flexible; rigid architecture

0? 引? 言

本文主要開展軟件定義互連技術(shù)的研究，軟件定義互連是一種面向交換互連領(lǐng)域的軟件定義硬件技術(shù)，基于可重構(gòu)和可編程技術(shù)，具有可擴(kuò)展的硬件/軟件架構(gòu)，允許應(yīng)用程序?qū)τ布M(jìn)行在線定義，以動(dòng)態(tài)更改交換互連的功能、性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同應(yīng)用場景的最佳擬合適配。

基于軟件定義芯片的交換模塊打破現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的剛性體系結(jié)構(gòu)的束縛，實(shí)現(xiàn)從物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層到業(yè)務(wù)層全維軟件定義的網(wǎng)絡(luò)體系，從而將剛性網(wǎng)絡(luò)變?yōu)槿嵝跃W(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建可定義、可重組、可重構(gòu)、可重建的軟件定義體系架構(gòu)[1]。源于軟件定義互聯(lián)技術(shù)的基于軟件定義芯片的交換模塊可實(shí)現(xiàn)RapidIO[2]網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)[3]、FC[4]網(wǎng)絡(luò)的單協(xié)議和混合協(xié)議交換，構(gòu)建柔性交換網(wǎng)絡(luò)。

1? 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1? 模塊設(shè)計(jì)框架

以綜合化核心處理平臺(tái)為背景，結(jié)合抗惡劣車載環(huán)境的使用需求，研制可替代原有綜合交換模塊，可構(gòu)建柔性交換網(wǎng)絡(luò)的軟件定義交換模塊。在考慮精簡原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，兼顧自主可控，關(guān)鍵芯片選用國產(chǎn)芯片，并引進(jìn)軟件定義互連技術(shù)，增加綜合交換模塊的柔性特征。模塊設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則：滿足綜合化核心處理平臺(tái)功能、性能指標(biāo)要求及車載設(shè)備的環(huán)境使用要求;采用國產(chǎn)關(guān)鍵芯片和基礎(chǔ)元器件，最大限度實(shí)現(xiàn)自主可控;采用可重構(gòu)、可擴(kuò)展的柔性架構(gòu)，支持多種網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)交換及故障診斷等綜合集成能力;充分考慮抗惡劣環(huán)境車載平臺(tái)的發(fā)展需求，能適應(yīng)未來綜合化核心處理平臺(tái)的升級(jí)與擴(kuò)展能力[5]。

結(jié)合具體要求，軟件定義交換模塊設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：

（1）具有Rapidio交換能力，Rapidio×2≥4路，Rapidio×1≥3路，單速率5 Gbps。

（2）具有以太網(wǎng)交換能力，以太網(wǎng)交換總數(shù)≥15路，其中千兆以太網(wǎng)≥12路（含機(jī)外互聯(lián)10 M/100 M/1 000 M自適應(yīng)以太網(wǎng)不少于6路）。

（3）具有故障檢測、保護(hù)與隔離等功能。

（4）具有以太網(wǎng)端口聚合功能，支持雙冗余以太網(wǎng)通信。

（5）具有VLAN劃分和VLAN管理功能。

（6）能通過機(jī)內(nèi)測試維護(hù)總線上報(bào)RapidIO與以太網(wǎng)端口狀態(tài)。

（7）模塊在各種環(huán)境工作溫度下功耗不大于25 W。

（8）具備RapidIO、以太網(wǎng)和FC單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換能力。

（9）具備RapidIO、以太網(wǎng)和FC混合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換能力。

（10）具有電流、電壓、溫度等工作狀態(tài)及自我保護(hù)功能，支持12 V電源關(guān)斷功能。

（11）結(jié)構(gòu)尺寸：加固，模塊為3 U VPX結(jié)構(gòu)，符合VITA-46[6]標(biāo)準(zhǔn)。

（12）散熱：支持導(dǎo)冷散熱。

（13）支持熱插拔。

模塊設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

軟件定義交換模塊由CPU單元、交換單元和BMC健康管理單元等組成，整個(gè)交換模塊對(duì)外提供4路2x RapidIO、3路1x RapidIO、9路1000BASE-X、6路1000BASE-T交換端口，1路RS485狀態(tài)監(jiān)控總線。CPU單元采用CSP2020處理器，負(fù)責(zé)對(duì)模塊進(jìn)行配置管理;BMC單元采用A2F500芯片，負(fù)責(zé)健康信息管理和上報(bào);交換單元采用NMS3210軟件定義交換芯片完成數(shù)據(jù)交換。整個(gè)模塊對(duì)外提供1路RS-232串口用作CPU配置管理端口，另外提供1路RS-232串口用作BMC健康管理單元，1路JTAG端口作為健康管理單元軟件更新和調(diào)試接口，1路RS485作為BMC健康狀態(tài)上報(bào)端口。BMC選用Microsemi公司的A2F500系列單片機(jī)，BMC和CPU間留有RS232接口，用于兩個(gè)單元間的通信，BMC獲取交換端口狀態(tài)等信息。4路2x RapidIO、3路1x RapidIO、9路1000BASE-X和6路1000BASE-T滿足綜合化核心處理平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)4路2x RapidIO、3路1x RapidIO、9路1000BASE-X可任意重新定義為RapidIO、1000BASE-X和FC網(wǎng)絡(luò)接口，為驗(yàn)證軟件定義交換模塊可以支持三種協(xié)議交換，默認(rèn)為4路2x RapidIO、3路1x RapidIO、6路1000BASE-X和3路FC，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)單協(xié)議網(wǎng)絡(luò)交換和混合協(xié)議網(wǎng)絡(luò)交換。

1.2? CPU單元設(shè)計(jì)

處理器選用中國電科58所國產(chǎn)PowerPC處理器CSP2020[7]，具有雙e500內(nèi)核，工作在800 MHz主頻，片上集成了三個(gè)千兆以太網(wǎng)控制器、兩路UART、兩路I2C、64 bitDDR3控制器（具有ECC）、增強(qiáng)型LocalBus，并且具備四路3.125 GHz SerDes接口可配置為PCIE、SRIO和SGMII，CSP2020架構(gòu)框圖如圖2所示。CSP2020通過PCIE與NMS3210互連，CSP2020對(duì)NMS3210進(jìn)行配置管理，對(duì)外出1路RS232和1路千兆以太網(wǎng)口作為配置管理接口和軟件升級(jí)更新接口。

1.3? 內(nèi)存單元設(shè)計(jì)

CSP2020處理器內(nèi)集成了64 bit DDR3內(nèi)存控制器，考慮到高溫散熱、車載振動(dòng)等惡劣環(huán)境因素，DDR3采用表貼內(nèi)存顆粒，實(shí)現(xiàn)64 bit DDR3內(nèi)存單元設(shè)計(jì)。內(nèi)存容量2 GB，選用深圳國微的SM41J256M16M DDR3內(nèi)存顆粒，考慮3U模塊空間有限，DDR3顆粒采用正反貼，每面兩顆SM41J256M16M。DDR3顆粒正反背靠背貼裝，64位數(shù)據(jù)線分8組，采用點(diǎn)到點(diǎn)的走線方式，地址線和控制線采用Fly-by的拓?fù)渥呔€方式，并且按照DDR3設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)各組線進(jìn)行等長補(bǔ)償，單端走線50歐姆，差分走線90歐姆。

1.4? 交換單元設(shè)計(jì)

為了滿足軟件定義交換模塊對(duì)外提供4路2x RapidIO、3路1x RapidIO、6路1000BASE-X、3路FC和6路千兆MDI交換端口等功能技術(shù)指標(biāo)的要求，交換單元采用NMS3210軟件芯片實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，NMS3210芯片的功能性能指標(biāo)能夠滿足軟件定義交換模塊的要求。同時(shí)借鑒以往成熟的高速電路設(shè)計(jì)和PCB高速信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，并且在PCB設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行仿真，確保高速信號(hào)的品質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，保證板內(nèi)高速信號(hào)沒有串?dāng)_。同時(shí)進(jìn)行交換軟件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化保證各項(xiàng)功能、性能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。以下是交換芯片具備的功能性能指標(biāo)：

交換芯片采用NDSC天津中心開發(fā)的自主可控國產(chǎn)軟件定義芯片NMS3210[8]，總交換容量為320 Gbps，圖3為NMS3210的架構(gòu)框圖。

NMS3210由八個(gè)Bank（標(biāo)號(hào)從0到7）組成，每一個(gè)Bank包含4路通道（lane）。采用FC 和以太網(wǎng)協(xié)議時(shí)，每個(gè)通道就是一個(gè)端口;采用RapidIO 協(xié)議時(shí)，端口寬度支持1x、2x和4x模式。所有端口通過一個(gè)開放的交換結(jié)構(gòu)互連。

（1）支持32路高速串行SerDes通道：通道支持多種速率（1.25、2.125、2.5、3.125、4.25、5、6.25、8.5和10.3125 Gbaud）。

（2）支持四種協(xié)議：RapidIO 3.1、FC-AE-ASM、10G Base-KR、1000BASE-X。

（3）RapidIO端口支持三種端口綁定模式：1x、2x、4x。

（4）支持四種協(xié)議的單一交換：

1）支持32路FC-AE-ASM（1.2版）的單協(xié)議交換。

2）支持32路1000BASE-X單協(xié)議交換。

3）支持32路10GBASE-KR單協(xié)議交換。

4）支持32路1x＼16路2x＼8路4x RapidIO 3.1單協(xié)議交換。

（5）支持四種協(xié)議之間的混合協(xié)議交換。

（6）Switch Fabric采用協(xié)議無關(guān)的交換架構(gòu)：

1）320 Gbps交換能力。

2）支持無阻塞單播以及多播交換。

（7）配置管理接口：為外部主控模塊提供芯片的配置管理通道：

1）PCIe接口：兼容PCI Express? 2.0 Base Specification（Revision 0.9），1x模式。

2）I2C接口：支持兩種操作模式：標(biāo)準(zhǔn)模式和快速模式（100 KHz/400 KHz）;支持主模式和從模式;支持上電自動(dòng)進(jìn)入臨時(shí)主機(jī)模式和配置寄存器進(jìn)入命令主模式。

3）JTAG接口：符合IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1149.6標(biāo)準(zhǔn)。

1.5? 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

軟件定義交換模塊采用實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks，軟件運(yùn)行在VxWorks構(gòu)成的基礎(chǔ)層上，嵌入式軟件需要的存儲(chǔ)空間小，選用芯片Nor Flash S29GS01GP，單片128 MB。FLASH既可以存放CPU的啟動(dòng)代碼，也可以存放系統(tǒng)內(nèi)核和交換協(xié)議軟件等。Flash掛接在處理器的Local Bus上，通過地址鎖存器來實(shí)現(xiàn)地址鎖存。在PCB布局和走線時(shí)采用菊花鏈形式減少信號(hào)線的分支，縮減信號(hào)的反射，走線阻抗按照50 歐姆設(shè)計(jì)。

1.6? 接口設(shè)計(jì)

1.6.1? 內(nèi)部芯片互聯(lián)通信接口

CSP2020內(nèi)部集成了PCIE控制器，支持3路PCIE1.0，支持1x和2x模式，CSP2020通過1x PCIE 對(duì)NMS3210進(jìn)行配置管理，并獲取交換端口的狀態(tài)，再通過CSP2020和A2F500間的數(shù)據(jù)通道發(fā)送給A2F500，最后通過RS485上報(bào)給外部控制臺(tái)，內(nèi)部芯片互聯(lián)通信接口互連關(guān)系如圖所示。

1.6.2? 千兆以太網(wǎng)/RapidIO/FC接口

軟件定義交換模塊有兩類千兆以太網(wǎng)接口，一類是1000BASE-X作為模塊間的數(shù)據(jù)交換通道，這類接口由NMS3210直接連到VPX連接器引出;另一類是1000BASE-T為千兆以太網(wǎng)電口，這類接口由NMS3210經(jīng)PHY轉(zhuǎn)換后連到VPX連接器引出。RapidIO接口由NMS3210直接連到VPX連接器引出，F(xiàn)C接口由NMS3210直接連到VPX連接器引出。1000BASE-X、RapidIO可以作為模塊間的數(shù)據(jù)交換通道，也可以和FC一樣通過VPX連接器引出再接到光模塊與其他設(shè)備互連，1000BASE-X、RapidIO、FC接口可以通過軟件在以上三種協(xié)議接口間任意變換，圖5為千兆以太網(wǎng)、RapidIO、FC接口設(shè)計(jì)。

1.7? 健康管理單元設(shè)計(jì)

健康管理單元由3.3 V供電，控制器采用美高森美的A2F500，A2F500具有500 000System Gates、11 520Tiles、24個(gè)4 608 bits RAM Blocks、512 kbytes Flash、64 kbytes SRAM、內(nèi)置Cortex-M3 processor、10/100Ethernet MAC、8通道DMA、2路I2C、2路SPI、2路UART、2路32 bit timer、2路12 bit ADC和2路24 bit DAC等。健康管理單元具備上電控制、復(fù)位控制、電壓、電流、溫度監(jiān)控，具備過壓、過流、過熱保護(hù)機(jī)制，可獲取交換端口狀態(tài)，可以識(shí)別模塊和機(jī)箱地址。健康管理單元存儲(chǔ)器采用SPI Flash，對(duì)外提供1路串行RS232，同時(shí)還提供1路JTAG接口作為模塊的軟件升級(jí)和調(diào)試口，1路RS485健康狀態(tài)上報(bào)。

A2F500通過自帶的ADC實(shí)時(shí)采樣監(jiān)控模塊內(nèi)部電壓，通過I2C掛接溫度傳感器LM73獲取模塊內(nèi)關(guān)鍵芯片的實(shí)時(shí)溫度狀況，通過I2C掛接的電流監(jiān)控芯片LTC4280實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前電流狀況。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定電壓、電流和溫度的上下閾值，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，根據(jù)事先預(yù)定好的策略分級(jí)進(jìn)行告警、關(guān)閉部分功能單元或者切斷全部功能單元供電對(duì)模塊實(shí)施保護(hù)。A2F500和CSP2020間通過RS232進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，CPU將獲取到的交換端口狀態(tài)發(fā)送給健康管理單元，由健康管理單元上報(bào)交換端口狀態(tài)給上位機(jī)。

1.8? 核心電源單元設(shè)計(jì)

軟件定義交換模塊的電源時(shí)序由中國電科47所的LC9081控制，按照各關(guān)鍵芯片電源時(shí)序的要求綜合考慮，精簡電源控制電路設(shè)計(jì)，圖6為電源時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)。

軟件定義模塊的電源時(shí)序如圖7所示。

根據(jù)軟件定義交換模塊的電流需求進(jìn)行電源設(shè)計(jì)，模塊內(nèi)電流需求較高的是處理器的核電壓VCC_1V05、內(nèi)存的電壓VCC_1V5、整個(gè)模塊的公共電壓VCC_3V3和交換芯片的核電壓VDD_1V1。

圖8是處理器的核電壓VCC_1V05、內(nèi)存的電壓VCC_1V5、整個(gè)模塊的公共電壓VCC_3V3的電路設(shè)計(jì)，VCC_1V05_RUN、VCC_1V5_RUN、VCC_3V3_RUN由LC9081按照電源時(shí)序要求控制，電源芯片選用濟(jì)半所的LYM4633IY。

如圖9是交換芯片的核電壓VDD_1V1的電路設(shè)計(jì)，VDD_1V1_RUN由LC9081按照電源時(shí)序要求控制，電源芯片選用濟(jì)半所的LYM450AIY。

1.9? 軟件定義交換的設(shè)計(jì)

NMS3210是一款支持多種協(xié)議（RapidIO3.1、FC-AE-SAM、10G Base-KR和1000BASE-X）的協(xié)議轉(zhuǎn)換可編程交換芯片，每個(gè)高速串行數(shù)據(jù)接口的協(xié)議可軟件定義成上述四種協(xié)議中的任意一種，能夠?qū)崿F(xiàn)四種異構(gòu)協(xié)議之間無阻塞、低時(shí)延、高可靠的互連互通。NMS3210支持單協(xié)議交換模式和混合協(xié)議交換模式。

軟件定義交換，在硬件設(shè)備不需要變更、重組或者按照需求進(jìn)行少量變更重組，僅通過對(duì)軟件的配置、升級(jí)實(shí)現(xiàn)各端口支持的速率和協(xié)議的變更，實(shí)現(xiàn)按需柔性變更。

每個(gè)通道可以根據(jù)所連接端點(diǎn)設(shè)備的協(xié)議類型，通過軟件定義的方式將通道配置為對(duì)應(yīng)的協(xié)議類型，數(shù)據(jù)進(jìn)入到芯片內(nèi)部后，根據(jù)其目的地址判斷是否需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換：如果不需要進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換則直接進(jìn)入內(nèi)部的無阻塞交換網(wǎng)絡(luò);如果需要，則完成協(xié)議轉(zhuǎn)換后再進(jìn)入交換網(wǎng)絡(luò)，傳送到相應(yīng)的輸出端口。

CPU可以通過PCIE、I2C和JTAG接口等多種方式訪問和配置NMS3210。當(dāng)被配置成RapidIO端口時(shí)，該端口支持RapidIO協(xié)議定義的維護(hù)包訪問功能。

針對(duì)單一網(wǎng)絡(luò)場景，NMS3210可配置成FC、SRIO或Ethernet等單一協(xié)議交換芯片，作為單一協(xié)議的數(shù)據(jù)交換模塊使用。

圖10為將NMS3210軟件定義為FC交換芯片應(yīng)用，連接到現(xiàn)有的FC交換網(wǎng)絡(luò)中。

圖11為將NMS3210軟件定義為RapidIO交換芯片應(yīng)用，連接到現(xiàn)有的RapidIO交換網(wǎng)絡(luò)中。

圖12為將NMS3210軟件定義為Ethernet交換芯片應(yīng)用，連接到現(xiàn)有的Ethernet交換網(wǎng)絡(luò)中。

NMS3210上可連接多種協(xié)議的端點(diǎn)設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景，大體可分為兩種，一種為不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間沒有通信需求，即混合協(xié)議無轉(zhuǎn)換場景，如圖13所示，此時(shí)NMS3210芯片相當(dāng)于替代了多片不同的交換芯片。

NMS3210用于混合協(xié)議網(wǎng)絡(luò)且不同協(xié)議的端點(diǎn)設(shè)備之間需要通信時(shí)，需要NMS3210芯片實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能和交換功能，即混合協(xié)議轉(zhuǎn)換場景。圖14是一個(gè)混合協(xié)議組網(wǎng)示意圖。

1.10? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.10.1? 結(jié)構(gòu)尺寸

符合VITA 46 3U VPX結(jié)構(gòu)尺寸，尺寸大小為：

（1）長度：160.0 mm+0/-0.2 mm;

（2）寬度：100.0 mm+0/-0.2 mm;

（3）高度：25.4 mm+0/-0.2 mm。

1.10.2? 結(jié)構(gòu)組成

對(duì)傳導(dǎo)散熱模塊，模塊一般由印制板、模塊殼體、連接器（包括模塊識(shí)別導(dǎo)向裝置）、插拔裝置、鎖緊裝置等組成。其中要求鎖緊裝置安裝面與主器件面反向。

2? 成果驗(yàn)證

2.1? 軟件定義交換模塊功能測試

對(duì)軟件定義交換模塊進(jìn)行以下測試，驗(yàn)證模塊指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求：

（1）RapidIO端口數(shù)量、端口模式和速率檢測，在綜合化核心處理機(jī)中進(jìn)行檢測，具備RapidIO端口的計(jì)算模塊通過交換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，檢測結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

（2）以太網(wǎng)端口數(shù)量和速率檢測，在綜合化核心處理機(jī)中進(jìn)行檢測，具備以太網(wǎng)端口的計(jì)算模塊通過交換模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并通過綜合化核心處理機(jī)對(duì)外的接口與網(wǎng)絡(luò)測試儀互聯(lián)，檢測結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

（3）具有故障檢測、保護(hù)與隔離等功能，通過串口訪問健康管理單元執(zhí)行檢測命令可以查看模塊內(nèi)部健康信息，并設(shè)定告警閾值。

（4）具有以太網(wǎng)端口聚合功能，支持雙冗余以太網(wǎng)通信，用網(wǎng)絡(luò)測試儀進(jìn)行測試，符合設(shè)計(jì)要求。

（5）具有VLAN劃分和VLAN管理功能，用網(wǎng)絡(luò)測試儀進(jìn)行測試，符合設(shè)計(jì)要求。

（6）能通過機(jī)內(nèi)測試維護(hù)總線上報(bào)RapidIO與以太網(wǎng)端口狀態(tài)，通過RS485可以獲得RapidIO與以太網(wǎng)端口狀態(tài)。

（7）模塊在各種環(huán)境工作溫度下功耗不大于25 W，實(shí)測功耗22 W。

（8）具備RapidIO、以太網(wǎng)和FC單網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換能力，分別用兩個(gè)相同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)互連互通測試，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

（9）具備RapidIO、以太網(wǎng)和FC混合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議交換能力，用三種不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)互連互通測試，可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

（10）具有電流、電壓、溫度等工作狀態(tài)及自我保護(hù)功能，支持12 V電源關(guān)斷功能，通過串口訪問健康管理單元可查看各工作狀態(tài)，并設(shè)有閾值，通過命令可以關(guān)閉12 V電源。

（11）結(jié)構(gòu)尺寸：加固，模塊為3U VPX結(jié)構(gòu)，符合VITA-46標(biāo)準(zhǔn)，用游標(biāo)卡尺測量模塊尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

（12）散熱：支持導(dǎo)冷散熱，實(shí)際設(shè)計(jì)為導(dǎo)冷散熱，高低溫工作正常。

（13）支持熱插拔，帶電拔出模塊，然后插回機(jī)箱，模塊可正常工作。

2.2? 軟件定義交換模塊性能測試

數(shù)據(jù)交換最重要的是實(shí)時(shí)性，對(duì)實(shí)時(shí)性最直接的影響是延時(shí)，此處對(duì)傳統(tǒng)典型交換和軟件定義交換在單協(xié)議交換時(shí)的延時(shí)和進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)進(jìn)行比較。一是分別對(duì)傳統(tǒng)單協(xié)議RapidIO、FC和以太網(wǎng)交換模塊延時(shí)進(jìn)行測試，二是對(duì)軟件定義交換模塊RapidIO、FC和以太網(wǎng)三種單協(xié)議交換進(jìn)行延時(shí)測試，三是對(duì)三種協(xié)議兩兩協(xié)議轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)進(jìn)行測試，然后進(jìn)行比較。

如表1所示，軟件定義交換模塊作為單一協(xié)議交換時(shí)和傳統(tǒng)典型交換延時(shí)略有優(yōu)勢，在三種協(xié)議兩兩轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)基本保持在1 μs左右，和單協(xié)議交換時(shí)的延時(shí)基本相當(dāng)，說明軟件定義交換模塊的性能在滿足與傳統(tǒng)交換網(wǎng)絡(luò)相同的應(yīng)用的同時(shí)，對(duì)需協(xié)議轉(zhuǎn)換的交換應(yīng)用場景也完全可以滿足應(yīng)用。

2.3? 軟件定義交換模塊效能分析

將軟件定義交換模塊的性能功耗比與傳統(tǒng)交換的性能功耗比進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)單協(xié)議交換和混合協(xié)議交換兩種場景進(jìn)行對(duì)比。首先對(duì)單協(xié)議交換場景進(jìn)行比較，選擇傳統(tǒng)的典型交換芯片和軟件定義交換芯片進(jìn)行比較，32通道萬兆以太網(wǎng)交換芯片BCM56842功耗60 W，數(shù)據(jù)交換帶寬320 Gbps，性能功耗比為5.33 Gbps/W;48通道RapidIO交換芯片CPS1848功耗13.75 W，數(shù)據(jù)交換帶寬240 Gbps，性能功耗比為17.46 Gbps/W;FC沒有專用交換芯片，24通道FC交換選擇XC7VX690T FPGA作為交換芯片，功耗20 W，速率2 G，數(shù)據(jù)交換帶寬51 Gbps，性能功耗比為2.55 Gbps/W。軟件定義交換芯片NMS3210工作在單以太網(wǎng)協(xié)議交換數(shù)據(jù)交換帶寬320 Gbps模式下，功耗48 W，數(shù)據(jù)交換帶寬320 Gbps，性能功耗比為6.67 Gbps/W;NMS3210工作在單RapidIO協(xié)議交換模式下，功耗24 W，數(shù)據(jù)交換帶寬320 Gbps，性能功耗比為13.33 Gbps/W;NMS3210工作在單FC協(xié)議交換模式下，功耗40.8 W，數(shù)據(jù)交換帶寬272 Gbps，性能功耗比為6.67 Gbps/W;從數(shù)據(jù)中可以看到NMS3210在單協(xié)議交換場景下，在以太網(wǎng)和FC交換模式下性能優(yōu)于傳統(tǒng)交換芯片，在RapidIO模式下弱于傳統(tǒng)交換芯片。接下來在混合協(xié)議交換場景下進(jìn)行比較，傳統(tǒng)交換需要在交換模塊上放置三種不同的交換芯片，而軟件定義交換模塊只需一片NMS3210就可以解決問題。以本文的軟件定義交換模塊具備的端口數(shù)量和種類為例，傳統(tǒng)交換實(shí)際產(chǎn)生功耗39.12 W，數(shù)據(jù)帶寬71.5 G，性能功耗比1.83 Gbps/W;軟件定義交換模塊在與傳統(tǒng)交換模塊相同數(shù)據(jù)帶寬71.5 G時(shí)，實(shí)際產(chǎn)生功耗10.725 W，性能功耗比6.67 Gbps/W;從數(shù)據(jù)中可以看到在混合協(xié)議交換場景軟件定義交換模塊效能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)交換模塊。

軟件定義交換模塊實(shí)物如圖15和16所示。

2.4? 綜述

軟件定義交換模塊不僅打破原有剛性網(wǎng)絡(luò)的束縛，構(gòu)建了柔性網(wǎng)絡(luò)，可適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，同時(shí)可確保實(shí)際應(yīng)用中對(duì)功能的要求，在充分保留原有功能的基礎(chǔ)上，縮小了體積、降低了功耗、減少了重量，從而提高了性能體積比、性能功耗比、性能重量比，提高了效能。

3? 結(jié)? 論

本文基于軟件定義互連技術(shù)，提出一種基于國產(chǎn)關(guān)鍵芯片的軟件定義交換模塊設(shè)計(jì)方法。軟件定義交換模塊，在硬件設(shè)備不需要變更、重組或者按照需求進(jìn)行少量變更重組，僅通過對(duì)軟件的配置、升級(jí)即可實(shí)現(xiàn)各端口支持的速率和協(xié)議的變更，實(shí)現(xiàn)按需柔性變更。軟件定義交換模塊在測試環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)RapidIO、以太網(wǎng)或FC三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議單一協(xié)議數(shù)據(jù)交換、三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議混合無轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)交換、三種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議混合轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)交換。軟件定義交換在綜合化核心處理機(jī)中完成各模塊間以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換和RapidIO的數(shù)據(jù)交換，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)箱級(jí)聯(lián)。軟件定義交換模塊已隨綜合化核心處理機(jī)完成環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明軟件定義交換單芯片多協(xié)議交換方案集成度高，適合小型化綜合處理機(jī)，可按需定義交換組網(wǎng)類型，具有良好的柔性可擴(kuò)展性，抗惡劣環(huán)境能強(qiáng)，長時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，適合在惡劣環(huán)境、小型化、綜合化擴(kuò)展性強(qiáng)的應(yīng)用場景中推廣。

下一步將提高自主可控等級(jí)、提高交換帶寬和以太網(wǎng)協(xié)議向三層協(xié)議拓展，在高自主可控、高帶寬、豐富協(xié)議、智能柔性可擴(kuò)展交換方面展開深入研究。

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作者簡介：婁曉明（1980—），男，漢族，黑龍江牡丹江人，工程師，本科，研究方向：嵌入式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù);宣志祥（1987—），男，漢族，江蘇南通人，工程師，本科，研究方向：嵌入式計(jì)算技術(shù);王子劍（1987—），男，漢族，河南平頂山人，高級(jí)工程師，研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)軟件技術(shù);顧燕飛（1987—），男，漢族，江蘇啟東人，高級(jí)工程師，研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)。

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