串行 RapidIO: 高性能嵌入式互連技術

摘要

串行RapidIO針對高性能嵌入式系統芯片間和板間互連而設計，它將是未來十幾年中嵌入式系統互連的最佳選擇。
本文比較RapidIO和傳統互連技術的優點；介紹RapidIO協議架構，包格式，互連拓撲結構以及串行RapidIO物理層規范。介紹串行RapidIO在無線基礎設施方面的應用。
RapidIO 與傳統嵌入互連方式的比較

隨著高性能嵌入式系統的不斷發展，芯片間及板間互連對帶寬、成本、靈活性及可靠性的要求越來越高，傳統的互連方式，如處理器總線、PCI總線和以太網，都難以滿足新的需求 。

處理器總線主要用作外部存儲器接口，如德州儀器(TI) C6000系列DSP的外部存儲器接口，可支持外接同步SDRAM、SBSRAM及FIFO，也可支持異步SRAM、FLASH等。外部存儲器接口也可用作與板內FPGA或ASIC芯片互連，這種情況下，FPGA或ASIC模擬一個DSP支持的存儲器接口，DSP則把FPGA或ASIC當作存儲器來訪問。這類同步接口帶寬可達10Gbps，如德州儀器TMS320C6455 DSP的DDR2接口最大帶寬為17.066Gbps，SBSRAM接口最大帶寬為8.533Gbps。然而，這種接口也存在一些局限性：

1. 接口管腳多，硬件設計困難。常見的DDR2接口有70～80個管腳；
2. 只能用于板內互連，無法用于板間互連；
3. 不是點對點的對等互連，DSP始終是主設備，其它器件只能做從設備。

PCI是廣泛用于計算機內器件互連的技術。傳統PCI技術也采樣類似于上述存儲器接口的并行總線方式，如TMS320C6455 DSP的PCI接口，有32bits數據總線，最高時鐘速度為66MHz，共有42個管腳。最新的串行PCI Express技術采用與串行RapidIO（SRIO， Serial RapidIO）類似的物理層傳輸技術，使得帶寬達到10Gbps左右。但由于其主要的應用仍是計算機，而且為了兼容傳統PCI技術，使得它在嵌入式設備方面的應用具有一定的局限性，如不支持點對點對等通信等。
眾所周知，以太網是使用最廣泛的局域網互連技術，它也被擴展應用到嵌入式設備互連，但它的局限性也是顯而易見的：

1. 不支持硬件糾錯，軟件協議棧開銷較大；
2. 打包效率低，有效傳輸帶寬因此而減小；
3. 只支持消息傳輸模式，不支持對對端設備的直接存儲器訪問(DMA, Direct Memory Access)。

針對嵌入式系統的需求以及傳統互連方式的局限性，RapidIO標準按如下目標被制定：

1. 針對嵌入式系統機框內高速互連應用而設計。
2. 簡化協議及流控機制，限制軟件復雜度，使得糾錯重傳機制乃至整個協議棧易于用硬件實現。
3. 提高打包效率，減小傳輸時延。
4. 減少管腳，降低成本。
5. 簡化交換芯片的實現，避免交換芯片中的包類型解析。
6. 分層協議結構，支持多種傳輸模式，支持多種物理層技術，靈活且易于擴展。

圖1展示了RapidIO互連在嵌入式系統中的應用。

圖1 RapidIO在嵌入式系統中的應用
表1總結比較了的三種帶寬能達到10Gbps的互連技術：以太網，PCI Express和串行RapidIO，從中可以看出串行RapidIO是最適合高性能嵌入式系統互連的技術。
表1 10G級互連技術比較
軟件實現TCP/IP 協議棧的以太網 4x PCI Express 4x SRIO 備注
軟件開銷 高 中 低 SRIO 協議棧簡單，一般都由硬件實現，軟件開銷很小
硬件糾錯重傳 不支持 支持 支持
傳輸模式 消息 DMA DMA，消息
拓撲結構 任意 PCI樹 任意 SRIO支持直接點對點或通過交換器件實現的各種拓撲結構
直接點對點對等互連 支持 不支持 支持 SRIO互連雙方可對等的發起傳輸。
傳輸距離 長 中 中 SRIO針對嵌入式設備內部互連，傳輸距離一般小于1米
數據包最大有效載荷長度 1500字節 4096字節 256字節 嵌入式通信系統對實時性要求高，SRIO小包傳輸可減少傳輸時延
打包效率 (以傳輸256字節數據為例) 79% (TCP包) 82% 92~94% 打包效率是有效載荷長度與總包長的比率。SRIO支持多種高效包格式。
串行RapidIO協議

RapidIO行業協會成立于2000年，其宗旨是為嵌入式系統開發可靠的，高性能，基于包交換的互連技術。RapidIO協議的簡要發展歷史是：

1. 2001年初，最初的標準被發布
2. 2002年6月，1.2版標準發布
3. 2005年6月，1.3版標注發布

串行RapidIO是物理層采用串行差分模擬信號傳輸的RapidIO標準。SRIO 1.x 標準支持的信號速度為1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz；正在制定的RapidIO 2.0標準將支持5GHz、6.25GHz.

目前，幾乎所有的嵌入式系統芯片及設備供應商都加入了RapidIO行業協會。德州儀器(TI) 2001年加入該組織，2003年成為領導委員會成員。2005年底，德州儀器(TI)推出第一個集成SRIO（Serial RapidIO）的DSP，后來又陸續推出共5款支持SRIO的DSP，這使得RapidIO的應用全面啟動。
RapidIO協議結構及包格式