嵌入式系統(tǒng) RapidIO協(xié)議結(jié)構(gòu)詳解

一、簡介

RapidIO是由Motorola和Mercury等公司率先倡導(dǎo)的一種高性能、 低引腳數(shù)、 基于數(shù)據(jù)包交換的互連體系結(jié)構(gòu)，是為滿足和未來高性能嵌入式系統(tǒng)需求而設(shè)計(jì)的一種開放式互連技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。RapidIO主要應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部互連，支持芯片到芯片、板到板間的通訊，可作為嵌入式設(shè)備的背板（Backplane）連接。

RapidIO協(xié)議由邏輯層、傳輸層和物理層構(gòu)成。邏輯層定義了所有協(xié)議和包格式。這是對終端進(jìn)行初始化和完成傳送的很有必要的信息。傳輸層為數(shù)據(jù)包從一個終端到另一個終端通道的必要信息。物理層描述了設(shè)備之間接口協(xié)議，例如包傳裝置，流量控制，電特性及低級錯誤管理等。Rapid IO分為并行Rapid IO標(biāo)準(zhǔn)和串行Rapid IO標(biāo)準(zhǔn)，串行RapidIO是指物理層采用串行差分模擬信號傳輸?shù)腞apidIO標(biāo)準(zhǔn)。

RapidIO行業(yè)協(xié)會成立于2000年，其宗旨是為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可靠的、 高性能、 基于包交換的互連技術(shù)，2001 年正式發(fā)表其基本的規(guī)范。2003 年10 月，國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）和國際電工委員會(IEC)一致通過了RapidIO互連規(guī)范，即ISO/IEC DIS 18372，這使RapidIO(ISO)成為嵌入式互連技術(shù)方面得到授權(quán)的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

RapidIO 的規(guī)范發(fā)布?xì)v史如下：
2001年3月，發(fā)布RapidIO 1.1規(guī)范；
2002年6月，發(fā)布RapidIO 1.2規(guī)范；
2005年2月，發(fā)布RapidIO 1.3規(guī)范；
2007年6月，發(fā)布RapidIO 2.0規(guī)范；
2009年8月，發(fā)布RapidIO 2.1規(guī)范；
2011年5月，發(fā)布RapidIO 2.2規(guī)范。

RapidIO 1.x標(biāo)準(zhǔn)支持的信號速率為1.25GHz、2.5GHz和3.125GHz；RapidIO 2.x標(biāo)準(zhǔn)在兼容Rapid IO 1.x標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，增加了支持5GHz和6.25GHz的傳輸速率 。

RapidIO 已有超過10 年的歷史，仍然生機(jī)勃勃，它還在繼續(xù)為開發(fā)人員提供高速、先進(jìn)的通訊技術(shù)：可對許多集成電路、板卡、背板及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)供應(yīng)商提供支持，支持RapidIO 標(biāo)準(zhǔn)的廠商有：Mercury Computer Systems、Freescale Semiconductor、Lucent-Alcatel、PMC-Sierra、Texas Instruments、Tundra Semiconductor、WindRiver、AMCC、Curtiss-Wright Controls、GE Fanuc 等，也就是說世界上幾乎所有的嵌入式主流廠商都已經(jīng)支持RapidIO 技術(shù)，顯然，RapidIO 勢在必行。發(fā)展至今，開發(fā)人員有100 多種基于RapidIO 的產(chǎn)品可供選擇，這些產(chǎn)品涵蓋了各種開發(fā)工具、嵌入式系統(tǒng)、IP、軟件、測試與測量設(shè)備及半導(dǎo)體(ASIC、DSP、FPGA)等。

二、其他協(xié)議相比較

隨著高性能嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)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(tǒng)的互連方式，如處理器總線、PCI總線和以太網(wǎng)，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(nèi)FPGA或ASIC芯片互連，這種情況下，F(xiàn)PGA或ASIC模擬一個DSP支持的存儲器接口，DSP則把FPGA或ASIC當(dāng)作存儲器來訪問。這類同步接口帶寬可達(dá)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(shè)計(jì)困難。常見的DDR2接口有70～80個管腳；
② 只能用于板內(nèi)互連，無法用于板間互連；
③ 不是點(diǎn)對點(diǎn)的對等互連，DSP始終是主設(shè)備，其它器件只能做從設(shè)備。

PCI是廣泛用于計(jì)算機(jī)內(nèi)器件互連的技術(shù)。傳統(tǒng)PCI技術(shù)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(shù)據(jù)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(shù)采用與串行RapidIO（SRIO， Serial RapidIO）類似的物理層傳輸技術(shù)，使得帶寬達(dá)到10Gbps左右。但由于其主要的應(yīng)用仍是計(jì)算機(jī)，而且為了兼容傳統(tǒng)PCI技術(shù)，使得它在嵌入式設(shè)備方面的應(yīng)用具有一定的局限性，如不支持點(diǎn)對點(diǎn)對等通信等。

眾所周知，以太網(wǎng)是使用最廣泛的局域網(wǎng)互連技術(shù)，它也被擴(kuò)展應(yīng)用到嵌入式設(shè)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(xié)議棧開銷較大；
② 打包效率低，有效傳輸帶寬因此而減?。?br /> ③ 只支持消息傳輸模式，不支持對對端設(shè)備的直接存儲器訪問(DMA, Direct Memory Access)。

針對嵌入式系統(tǒng)的需求以及傳統(tǒng)互連方式的局限性，RapidIO標(biāo)準(zhǔn)按如下目標(biāo)被制定：
① 針對嵌入式系統(tǒng)機(jī)框內(nèi)高速互連應(yīng)用而設(shè)計(jì)。
② 簡化協(xié)議及流控機(jī)制，限制軟件復(fù)雜度，使得糾錯重傳機(jī)制乃至整個協(xié)議棧易于用硬件實(shí)現(xiàn)。
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(shí)現(xiàn)，避免交換芯片中的包類型解析。
⑥ 分層協(xié)議結(jié)構(gòu)，支持多種傳輸模式，支持多種物理層技術(shù)，靈活且易于擴(kuò)展。

三、協(xié)議的三層結(jié)構(gòu)

為了滿足靈活性和可擴(kuò)展性的要求，RapidIO協(xié)議分為三層：邏輯層、傳輸層和物理層。

和以太網(wǎng)一樣，RapidIO也是基于包交換的互連技術(shù)。如圖3所示，RapidIO包由包頭、可選的載荷數(shù)據(jù)和16bits CRC校驗(yàn)組成。包頭的長度因?yàn)榘愋筒煌赡苁鞘畮椎蕉畮讉€字節(jié)。每包的載荷數(shù)據(jù)長度不超過256字節(jié)，這有利于減少傳輸時延，簡化硬件實(shí)現(xiàn)。

上述包格式定義兼顧了包效率及組包/解包的簡單性。RapidIO交換器件僅需解析前后16bits，以及源/目地器件ID，這簡化了交換器件的實(shí)現(xiàn)。

邏輯層協(xié)議

邏輯層定義了操作協(xié)議和相應(yīng)的包格式。RapidIO支持的邏輯層業(yè)務(wù)主要是：直接IO/DMA （Direct IO/Direct Memory Access）和消息傳遞（Message Passing）。

直接IO/DMA模式是最簡單實(shí)用的傳輸方式，其前提是主設(shè)備知道被訪問端的存儲器映射。在這種模式下，主設(shè)備可以直接讀寫從設(shè)備的存儲器。直接IO/DMA在被訪問端的功能往往完全由硬件實(shí)現(xiàn)，所以被訪問的器件不會有任何軟件負(fù)擔(dān)。從功能上講，這一特點(diǎn)和德州儀器DSP的傳統(tǒng)的主機(jī)接口(HPI, Host Port Interface)類似。但和HPI口相比，SRIO（Serial RapidIO）帶寬大，管腳少，傳輸方式更靈活。

對上層應(yīng)用來說，發(fā)起直接IO/DMA傳輸主要需提供以下參數(shù)：目地器件ID、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)在目地器件存儲器中的地址。

直接IO/DMA模式又可進(jìn)一步分為以下幾種傳輸格式：
① NWRITE: 寫操作，不要求接收端響應(yīng)。
② NWRITE_R: 帶響應(yīng)的NWRITE（NWRITE with Response），要求接收端響應(yīng)。
③ SWRITE：流寫（Stream Write），數(shù)據(jù)長度必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，不要求接收端響應(yīng)。
④ NREAD: 讀操作。

SWRITE是最高效的傳輸格式；帶響應(yīng)的寫操作或讀操作效率則較低，一般只能達(dá)到不帶響應(yīng)的傳輸?shù)男实囊话搿?/p>

消息傳遞（Message Passing）模式則類似于以太網(wǎng)的傳輸方式，它不要求主設(shè)備知道被訪問設(shè)備的存儲器狀況。數(shù)據(jù)在被訪問設(shè)備中的位置則由郵箱號（類似于以太網(wǎng)協(xié)議中的端口號）確定。從設(shè)備根據(jù)接收到的包的郵箱號把數(shù)據(jù)保存到對應(yīng)的緩沖區(qū)，這一過程往往無法完全由硬件實(shí)現(xiàn)，而需要軟件協(xié)助，所以會帶來一些軟件負(fù)擔(dān)。

對上層應(yīng)用來說，發(fā)起消息傳遞主要需提供以下參數(shù)：目地器件ID、數(shù)據(jù)長度、郵箱號。

傳輸層協(xié)議

RapidIO是基于包交換的互連技術(shù)，傳輸層定義了包交換的路由和尋址機(jī)制。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)主要由兩種器件，終端器件（End Point）和交換器件（Switch）組成。終端器件是數(shù)據(jù)包的源或目的地，不同的終端器件以器件ID來區(qū)分。RapidIO支持8 bits 或 16 bits器件ID，因此一個RapidIO網(wǎng)絡(luò)最多可容納256或65536個終端器件。與以太網(wǎng)類似，RapidIO也支持廣播或組播，每個終端器件除了獨(dú)有的器件ID外，還可配置廣播或組播ID。交換器件根據(jù)包的目地器件ID進(jìn)行包的轉(zhuǎn)發(fā)，交換器件本身沒有器件ID。

RapidIO的互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常靈活，除了通過交換器件外，兩個終端器件也可直接互連。以德州儀器(TI)的TMS320C6455 DSP為例，它有4個3.125G的SRIO口，它可支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

物理層協(xié)議

RapidIO 1.x 協(xié)議定義了以下兩種物理層接口標(biāo)準(zhǔn)：
① 8/16 并行LVDS協(xié)議
② 1x/4x 串行協(xié)議 (SRIO)

并行RapidIO由于信號線較多（40～76）難以得到廣泛的應(yīng)用，而1x/4x串行RapidIO僅4或16個信號線，逐漸成為主流，所以本文僅介紹串行RapidIO。

串行RapidIO基于現(xiàn)在已廣泛用于背板互連的SerDes（Serialize Deserialize）技術(shù)，它采用差分交流耦合信號。差分交流耦合信號具有抗干擾強(qiáng)、速率高、傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。差分交流耦合信號的質(zhì)量不是由傳統(tǒng)的時序參數(shù)來衡量，而是通過眼圖來衡量，眼圖中的“眼睛”張得越開則信號質(zhì)量越好。

下圖是一個典型的串行RapidIO信號的眼圖。

差分信號的強(qiáng)弱由一對信號線的電壓差值表示，串行RapidIO協(xié)議規(guī)定信號峰－峰值的范圍是200mV－2000mV。信號幅度越大，則傳輸距離越遠(yuǎn)，RapidIO協(xié)議按信號傳輸距離定義兩種傳輸指標(biāo)：

① 短距離傳輸(Short Run)，<=50厘米，主要用于板內(nèi)互連，推薦的發(fā)送端信號峰－峰值為500mV－1000mV

② 長距離傳輸(Long Run)，>50厘米，主要用于板間或背板互連，推薦的發(fā)送端信號峰－峰值為800mV－1600mV

為了支持全雙工傳輸，串行RapidIO收發(fā)信號是獨(dú)立的，所以每一個串行RapidIO口由4根信號線組成。標(biāo)準(zhǔn)的1x/4x 串行RapidIO接口，支持四個口，共16根信號線。這四個口可被用作獨(dú)立的接口傳輸不同的數(shù)據(jù)；也可合并在一起當(dāng)作一個接口使用，以提高單一接口的吞吐量。

德州儀器TMS320C6455 DSP上集成了標(biāo)準(zhǔn)的1x/4x串行RapidIO接口，如圖

發(fā)送時，邏輯層和傳輸層將組好的包經(jīng)過CRC編碼后被送到物理層的FIFO中，“8b/10b編碼”模塊將每8bit數(shù)據(jù)編碼成10bits數(shù)據(jù)，“并/串轉(zhuǎn)換”模塊將10bits并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行bits，發(fā)送模塊把數(shù)字bit轉(zhuǎn)換成差分交流耦合信號在信號線上發(fā)送出去。

這里的8b/10編碼的主要作用是：

① 保證信號有足夠的跳變，以便于接收方恢復(fù)時鐘。串行RapidIO沒有專門的時鐘信號線，接收端靠數(shù)據(jù)信號的跳變恢復(fù)時鐘。所以需要把信號跳變少的8bits數(shù)據(jù)(如全0或全1)編碼成有一定跳變的10bits數(shù)據(jù)。另外，也使得總體數(shù)據(jù)中0和1的個數(shù)均衡，以消除直流分量，保證交流耦合特性；

② 8b/10編碼可擴(kuò)大符號空間，以承載帶內(nèi)控制符號。10bits能表示1024個符號，其中256個表示有效的8bits數(shù)據(jù)，剩下的符號中的幾十個被用作控制符號?？刂品柨杀挥米靼指舴憫?yīng)標(biāo)志，或用于鏈路初始化，鏈路控制等功能；

③ 8b/10編碼能實(shí)現(xiàn)一定的檢錯功能。1024個符號中，除了256個有效數(shù)據(jù)符號和幾十個控制符號外，其它符號都是非法的，接收方收到非法符號則表示鏈路傳輸出錯。

接收的過程則正好相反，首先接收方需要根據(jù)數(shù)據(jù)信號的跳變恢復(fù)出時鐘，用這個時鐘采樣串行信號，將串行信號轉(zhuǎn)換為10bits的并行信號，再按8b/10b編碼規(guī)則解碼得到8bits數(shù)據(jù)，最后做CRC校驗(yàn)并送上層處理。

數(shù)據(jù)被正確的接收時，接收端會發(fā)送一個ACK響應(yīng)包給發(fā)送端；如果數(shù)據(jù)不正確（CRC錯或非法的10bits符號），則會送NACK包，要求發(fā)送方重傳。這種重傳糾錯的功能由物理層完成，而物理層功能往往由硬件實(shí)現(xiàn)，所以不需要軟件干預(yù)。

串行RapidIO支持的信號速率有三種：1.25GHz，2.5GHz，3.125GHz。但由于8b/10b編碼，其有效數(shù)據(jù)速率分別為：1Gbps, 2Gbps, 2.5Gbps。 4個1x端口或一個4x端口支持的最高速率為10Gbps。

四、xlinx srio ip介紹

Endpoint IP由物理層、傳輸層及邏輯層組成，自帶可配置buffer design、reference clock module、reset module及configuration fabric referencedesign。支持1x、2x、4x lane widths，支持per-lane speeds of 1.25、2.5、3.125、5.0及6.25Gbaud。SRIO Gen2使用AXI4-Stream接口用于高速數(shù)據(jù)傳輸。
邏輯層定義了操作協(xié)議和包格式。

傳輸層提供端點(diǎn)器件間傳輸包所需的路由信息。

物理層定義器件級接口的細(xì)節(jié)，如包傳輸機(jī)制、流量控制、電氣特性和低級錯誤管理。

1. 1SRIO系統(tǒng)預(yù)覽

2. 邏輯層接口介紹

由圖一可以看到邏輯層有三種接口：ConfigurationFabric Interface，具體如下：

User Interface

主要包含一系列I/O ports和三類可選的ports，主要是用來發(fā)包和收包解析。對于使用哪些接口，在FPGA開發(fā)過程中，可以在IP core進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)時，每種事物根據(jù)事物的類型接入對應(yīng)的port中。

其中，任何支持I/O事物傳輸?shù)亩紝⒃贗/O ports收發(fā)，如NWRITEs、NWRITE_Rs、SWRITEs、NREADs和RESPONSEs等事物；MESSAGE事物則可以在I/O ports傳輸，也可以在專用的messaging port傳輸；DOORBELL事物不管有沒有message port，都將使用IO port進(jìn)行傳輸；如果定義了maintenance接口，那么maintenance事物將通過maintenance接口進(jìn)行傳輸；如果使用了User-defined接口的話，那么用戶自定義的、系統(tǒng)不支持的或者未指明接口的事物將可以采用這種User-defined接口，如果未使能User-defined接口，那么上面提到這3種事物包將被丟棄。

必備的I/O Port

IO port支持2種格式：HELLO format 和SRIOstream。對于模式和包格式的選擇都需要在創(chuàng)建IPcore的時候選定好，并且IO ports里面所有的channels都必須使用相同的包格式。

IO ports配置成condensedIO模式主要是為了減少channels數(shù)，此時只有一個AXI4-stream 用來收發(fā)數(shù)據(jù)。在這種模式下，SRIO的IO port很接近于PCIE的AXI總線。（注意端口命名的參考是LOG層）.

initiator/Target允許在遠(yuǎn)端的initiator發(fā)起事物并把本地的endpoint作為事物傳送目標(biāo)。從下面其接口圖可以看出，其實(shí)感覺有點(diǎn)類似IIC，規(guī)定什么時候誰為master，向slave發(fā)起操作，故具備了2套獨(dú)立的AXI4-stream用來收發(fā)數(shù)據(jù)。

s_axis_ireq* are associated with INITIATOR_IREQ.

m_axis_iresp* are associated with INITIATOR_IRESP.

m_axis_treq* are associated with TARGET_TREQ.

s_axis_tresp* are associated with TARGET_TRESP.

可選的Messaging Port

為什么是可選的呢，因?yàn)閙essage也可以作為普通的wrtie事物通過I/O prot進(jìn)行傳輸，IP core 產(chǎn)生時可以對這個進(jìn)行選擇。默認(rèn)是和I/O port復(fù)用的，但是如果作為獨(dú)立的port也是可以的，接口類型和initiator/Target一樣。

可選的Maintenance Port

雖然說這個是可選的，可是在xilinx的IP core配置上，這個好像是一定存在的，并且還被推薦配置成AXI4-Liteinterface，當(dāng)然也可以配置成AXI4-Stream。這2種interface的區(qū)別主要在于AXI4-Lite interface不僅可以讓用戶app target本地的配置空間，還可以target遠(yuǎn)端的配置空間，而AXI4-Stream interface只能配置遠(yuǎn)端的配置空間。

可選的User-Defined Port

User-definedport采用的是SRIO stream format，并且擁有2個AXI4-Stream channels。

3. BUF接口垃圾桶

BUF層夾雜在LOG層和PHY層中間，為包的傳送和流控制提供了保證。當(dāng)然收發(fā)的buffer大小是可配的，值得注意的是，這里說的大小不是說fifo size或深度之類的，而是max sized packets的個數(shù)，即按最大size包的個數(shù)進(jìn)行管理的。

上面的和LOG和PHY層的interface是AXI4-Stream，而cfgb則是AXI4-Liteinterface接口，實(shí)現(xiàn)進(jìn)入BUF層的配置空間。

該層主要包含以下一些接口：

（1）clock andresetinterface

（2）transport interface

（3）link interface

（4）BUF configurationfabric interface

4. 物理層接口

RapidIO串行物理層，通常稱為串行RapidIO，針對板上或通過背板的器件間的電氣連接。串行物理層定義器件間的全雙工串行鏈路，在每個方向上使用單向差分信號。RapidIO串行物理層支持RapidIO器件間的包傳送，包括包和控制符號的傳送、流量控制、錯誤管理和其他器件到器件的功能。

由于串行RapidIO規(guī)范僅在物理層定義（RapidIO技術(shù)定于物理層為電氣接口和器件到器件的鏈路協(xié)議），多數(shù)RapidIO控制器的邏輯是相同的。因此，串行RapidIO規(guī)范保留了許多已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)過證實(shí)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，簡化了并行與串行鏈路間的系統(tǒng)級交換操作。

RapidIO串行物理層有如下特征：

（1）采用8B/10B編碼方案將發(fā)送時鐘嵌入到數(shù)據(jù)中；

（2）在每個方向上支持一個串行差分對，稱為1通道；或支持四個并列的串行差分對，稱為4通道；

（3）使用專用的8B/10B碼來管理鏈路，管理內(nèi)容包括流量控制、包定界和錯誤報告；

（4）允許在RapidIO1x/4xLP-Serial（串行RapidIO）端口和RapidIO物理層8/16 LP-LVDS（并行RapidIO）端口之間進(jìn)行包傳輸而無需包處理；

（5）使用與并行RapidIO物理層相似的重傳和錯誤恢復(fù)協(xié)議；

（6）支持每通道1.25G、2.5G和3.125G波特率（數(shù)據(jù)流為1.0Gbps、2.0Gbps和2.5Gbps）的傳送速率。（現(xiàn)在支持的應(yīng)該更多了，可以高達(dá)6.25G了）

該層主要包含以下一些接口：
（1）clock and reset interface
（2）link interface
（3）serial interface
（4）control and statusinterface
（5）configuration fabricinterface
（6）serial transceiversinterface
（7）configuration fabricreference design interface

五、xlinx srio ip

在利用Xilinx的IP進(jìn)行開發(fā)時，為了簡化報文的解析和組包，SRIO Gen2 usesAXI4-Stream，Xilinx推出了一種簡化的報文格式，這樣一來，我們可以發(fā)現(xiàn)，這樣又很接近PCIE的TLP報文格式了。

lHELLO format

引腳示意：