串行RapidIO: 高性能嵌入式互连技术

串行RapidIO（SRIO）针对高性能嵌入式系统芯片间和板间互连而设计，是未来十几年中嵌入式系统互连的最佳选择之一。

与传统嵌入互连方式的比较

图1展示了RapidIO互连在嵌入式系统中的应用。随着高性能嵌入式系统的不断发展，芯片间及板间互连对带宽、成本、灵活性及可靠性的要求越来越高，传统的互连方式，如处理器总线、PCI总线和以太网，都难以满足新的需求。

图1 RapidIO在嵌入式系统中的应用

表1总结比较了的三种带宽能达到10Gb/s的互连技术：以太网、PCI Express和串行RapidIO。可以看出串行RapidIO最适合高性能嵌入式系统应用。

串行RapidIO协议

RapidIO行业协会成立于2000年，其宗旨是为嵌入式系统开发可靠的、高性能、基于包交换的互连技术。串行RapidIO是物理层采用串行差分模拟信号传输的RapidIO标准。SRIO 1.x 标准支持的信号速率为1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz；正在制定的RapidIO 2.0标准将支持5GHz和6.25GHz.

目前，几乎所有的嵌入式系统芯片及设备供应商都加入了RapidIO行业协会。以德州仪器(TI)为例，TI 2001年加入该组织，2003年成为领导委员会成员。2005年底，TI推出第一个集成SRIO的DSP，后来又陆续推出共5款支持SRIO的DSP，这使得RapidIO的应用全面启动。

RapidIO协议结构及包格式

为了满足灵活性和可扩展性的要求，RapidIO协议分为三层：逻辑层、传输层和物理层，如图2所示。逻辑层定义了操作协议；传输层定义了包交换、路由和寻址机制；物理层定义了电气特性、链路控制和纠错重传等。

图2 RapidIO协议分层结构

像以太网一样，RapidIO也是基于包交换的互连技术。如图3所示，RapidIO包由包头、可选的载荷数据和16位CRC校验组成。包头的长度因为包类型不同可能是十几到二十几字节。每包的载荷数据长度不超过256字节，这有利于减少传输时延，简化硬件实现。

图3 RapidIO包格式

上述包格式定义兼顾了包效率及组包/解包的简单性。RapidIO交换器件仅需解析前后16位，以及源/目地器件ID，这简化了交换器件的实现。

逻辑层协议

逻辑层定义了操作协议和相应的包格式。RapidIO支持的逻辑层业务主要是直接IO/DMA（Direct IO/ Direct Memory Access）和消息传递（Message Passing）。

直接IO/DMA模式是最简单实用的传输方式，其前提是主设备知道被访问端的存储器映射。在这种模式下，主设备可以直接读写从设备的存储器。直接IO/DMA在被访问端的功能往往完全由硬件实现，所以被访问的器件不会有任何软件负担。从功能上讲，这一特点和TI DSP的传统的主机接口（HPI）类似。但和HPI口相比，SRIO带宽大、引脚少，传输方式更灵活。

消息传递模式则类似于以太网的传输方式，它不要求主设备知道被访问设备的存储器状况。数据在被访问设备中的位置则由邮箱号（类似于以太网协议中的端口号）确定。从设备根据接收到的包的邮箱号把数据保存到对应的缓冲区，这一过程往往无法完全由硬件实现，而需要软件协助，所以会带来一些软件负担。

传输层协议

RapidIO是基于包交换的互连技术，传输层定义了包交换的路由和寻址机制。

RapidIO网络主要由终端器件（End Point）和交换器件（Switch）组成。终端器件是数据包的源或目的地，不同的终端器件以器件ID来区分。RapidIO支持8位或 16位器件ID，因此一个RapidIO网络最多可容纳256或65536个终端器件。与以太网类似，RapidIO也支持广播或组播，每个终端器件除了独有的器件ID外，还可配置广播或组播ID。交换器件根据包的目地器件ID进行包的转发，交换器件本身没有器件ID。

RapidIO的互连拓扑结构非常灵活，除了通过交换器件外，两个终端器件也可直接互连。以TI的TMS320C6455 DSP为例，它有4个3.125G的SRIO口，可支持的拓扑结构如图4所示。

图4 RapidIO支持灵活多样的拓补结构

物理层协议

RapidIO 1.x 协议定义了以下两种物理层接口标准：8/16 并行LVDS协议和1x/4x 串行协议 (SRIO)。

并行RapidIO由于信号线较多（40～76）难以得到广泛的应用，而1x/4x串行RapidIO仅4或16个信号线，逐渐成为主流。

串行RapidIO基于现在已广泛用于背板互连的SerDes技术，它采用差分交流耦合信号。差分交流耦合信号具有抗干扰强、速率高、传输距离较远等优点。差分交流耦合信号的质量不是由传统的时序参数来衡量，而是通过眼图来衡量，眼图中的“眼睛”张得越开则信号质量越好。图5是一个典型的串行RapidIO信号眼图。

图5 串行RapidIO信号眼图

为了支持全双工传输，串行RapidIO收发信号是独立的，所以每一个串行RapidIO口由4根信号线组成。标准的1x/4x 串行RapidIO接口支持4个口，共16根信号线。这4个口可被用作独立的接口传输不同的数据；也可合并在一起当作一个接口使用，以提高单一接口的吞吐量。TI的TMS320C6455 DSP上集成了标准的1x/4x串行RapidIO接口，如图6所示。