多核DSP系统高速传输核心的IP设计

摘要：针对现代高性能嵌入式系统对高速数据传输的应用需求，RapidIO高速串行总线作为新一代嵌入式系统互联总线，具有高速度、低延时、高可靠性等特性，能够很好地适应嵌入式多核DSP系统高速数据传输的要求。本文介绍了互联总线的发展过程，分析了高速串行RapidIO协议特点，针对多核DSP领域嵌入式系统的要求，给出了基于串行RapidIO总线互联的核心IP设计。
关键词：RapidIO；嵌入式系统；多核DSP；互联

引言
对于IO互联体系架构的复杂要求是系统工程化应用需要直接面对的挑战。DSP互联技术的研究已经成为新兴的热点问题。
DSP之间互联的方式有很多种，高带宽的片间、板间互联技术成为需要重点突破的关键技术。

1 高速互联点对点交换技术
无论是单分段共享总线互联系统，还是级联的多分段共享总线互联系统，在这类基于共享的总线体系结构中，所有通信无不是在争用总线带宽，由此造成外设越多可用带宽就越少，从而带来严重的传输瓶颈。不仅如此，在基于共享的并行总线上，大量的引脚数目也带来一定的电气特性和机械特性等问题，使得信号频率以及信号可传输距离都受到很大程度的制约。
因此，需要一种可升级的新型高性能系统体系结构，于是出现了点对点交换式总线，典型的新型总线有PCI-Express、InfiniBand、Hyp erTransport、RapidIO等。
总线互联技术的发展过程如图1所示。其中，Infiniband的目标应用是系统域(SAN)互联，系统域网络用于构建集群系统以得到更大的系统。RapidIO互联架构是一个开放的标准，可以满足嵌入式基础设施在应用方面的广泛需求。HyperTransport和PCI-Express虽然具有某些与RapidIO相同的特征，但把它们视为PCI总线的点到点版本更为恰当。

在这几种新型总线技术中，RapidIO主要面向高性能嵌入式系统互联通信，是一个开放的点对点分组交换标准，可连接多处理器、存储器、网络设备中的存储器映射I／O器件、存储子系统等。这一互联技术可以实现1～60Gbps的性能水平，可以在8对LVDS差分线上实现全双工的10 Gbps数据传输。RapidIO以其高带宽、低延时及具备硬件保证达99．999％的高可靠性(即系统处于出错状态的时间仅为0．001％)为多核DSP系统的互联提供了良好的解决方案。

2 基于RapidIO多核DSP系统高速互联的设计
2．1 RapidIO IP核的设计
RapidIO IP核可以分为6大部分：逻辑及传输层协议实现。包括负责事务组包、拆包等功能的逻辑及传输层模块；物理层协议实现，包括包的控制符号传送、流量控制、错误管理等功能的物理层模块；负责对寄存器进行读写操作的寄存器管理模块；集中实现各层寄存器的寄存器组模块；时钟及复位模块；用户定义模块。其结构如图2所示。

2．2 多核DSP互联接口总体方案
越来越多的高速信号处理系统采用多DSP核进行数据运算，用可扩展的RapidIO构建互联结构是非常有效的一种方式。例如一个可扩展的4核DSP系统，网络采用4×4的mesh拓扑结构，在4块芯片上实现，芯片内部互联采用并行总线，芯片之间互连采用基于RapidIO物理层协议的高速串行总线，结构如图3所示。

这样的设计并非把RapidIO应用集中，把单个芯片作为RapidIO拓扑结构的一个节点，而是把整个片上网络作为RapidIO拓扑结构的一个节点。网络内部的协议完全自定义，不仅能利用RapidIO接口对基于片上网络架构的多核DSP系统作片外扩展，又能使片上网络的拓扑结构不依赖于RapidIO独立设计。因为在RapidIO的拓扑结构中，数据交换的单元是交换开关，而本设计中数据交换由独立于RapidIO协议的路由器来完成。如果需要兼容其他的总线协议，只需要更改网络接口的设计，极大地简化了工作。
2．3 4核DSP网络接口的结构
为了实现多核DSP之间的数据通信，互联接口必须能够解析来自片上网络的数据包并转换成RapidIO IP核所需要的数据格式，或者接收来自RapidIO IP核的数据，并按照网络协议组装成数据包在网络上发送，实现片上网络同片外DSP核的通信。互联接口要支持不同时钟域的数据传输，满足片上网络全局异步、局部同步的时钟要求，还需要能够检测来自网络数据包的错误，保证可靠传输，并使用基于信用量的流控机制，防止缓冲器溢出造成数据丢失。网络接口使用多个虚通道技术缓解网络死锁，提高网络的吞吐率。根据这些要求设计的多核DSP互联接口结构如图4所示。

4个DSP通过串行RapidIO互相连接起来，在几个DSP内部利用串行RapidIO协议，数据在几个DSP之间高速运转。另外，还可以通过一个外部的控制处理器来实现控制这几个DSP的一些功能，可根据需要给每个DSP分配不同的算法模块，对多个DSP进行负载均衡，从而实现更高的运算效率。

3 RapidIO专用电路中核心IP模块设计
RapidIO协议可以用大规模集成电路来实现，通过协议本身的控制作用完成对数据通路的控制作用。因此RapidIO专用集成电路就是基于这个协议的框架结构，从根本上解决嵌入式系统互连的通信问题，从而提高系统的整体性能。
3．1 发送和接收IP模块设计
发送和接收模块主要围绕采用的双端口存储器进行复杂的控制逻辑设计。根据协议的要求，可在RapidIO专用电路的双口SRAM中规定一个口写数据，一个口读数据，从而降低控制逻辑设计的复杂性。在本设计中规定A口是只写的，而B口是只读的，它们的数据宽度为32位，深度为1024。