文/張文俊

現(xiàn)代電子系統(tǒng)越來越復雜，越來越龐大，功能越來越多，各種不同領(lǐng)域，不同專業(yè)和不同設備進行了融合處理，每套電子系統(tǒng)如探測系統(tǒng)包含雷達、電子戰(zhàn)、通信等多個子系統(tǒng)，向著探測、干擾、偵收和通信一體化方向發(fā)展。尤其是軍用系統(tǒng)中多采用嵌入式系統(tǒng)，其中數(shù)字信號并行處理技術(shù)為其中的關(guān)鍵技術(shù)，它可以實現(xiàn)對海、陸、空和天等多種信息融合處理。提升多個并行處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和集群處理模塊之間的數(shù)據(jù)交換性能是提高整個嵌入式數(shù)字信號并行處理系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。以往使用的單總線模式已經(jīng)無法滿足未來系統(tǒng)的傳輸需求。新一代的高性能互連通信技術(shù)如RapidIO、FC、PCI Express、Hyper-Transport、InfiniBand 等逐步替代原有的慢速通信技術(shù)在設備中大量使用，不同高速通信技術(shù)有各自的優(yōu)缺點，沒有一種通信技術(shù)可以適用所有的應用需求，現(xiàn)有大型系統(tǒng)多為多種通信技術(shù)共存，因此多種通信技術(shù)的融合互聯(lián)需求越來越強烈。其中，RapidIO和FC在軍用電子設備應用較為廣泛。RapidIO是一種基于報文交換的互連體系結(jié)構(gòu)，具有高帶寬、低延時、高效率、高可靠性等優(yōu)點，能夠為高性能嵌入式系統(tǒng)計算節(jié)點之間通信提供良好的解決方案。FC是一種高帶寬、低延遲、擴展性好，傳輸可靠性高、協(xié)議豐富且相對簡單和傳輸距離遠的特點，廣泛用于設備之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

本文討論了能滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸RapidIO和FC互聯(lián)通信技術(shù)，針對多設備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交換需求，提出了兩種通信協(xié)議的無損高效解決方案。

1 RapidIO和FC通信的特點

RapidIO 互連通信協(xié)議采用3層體系結(jié)構(gòu)，分別為邏輯層、傳輸層和物理層。最高層為RapidIO邏輯層規(guī)范，規(guī)定了協(xié)議包格式，RapidIO節(jié)點發(fā)起傳輸?shù)母袷絻?nèi)容定義和指令含義以及操作步驟，中間層為傳輸層規(guī)范，規(guī)定了RapidIO地址空間規(guī)范和數(shù)據(jù)包在傳輸所需的節(jié)點橋接信息，物理層規(guī)范定義的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫Y(jié)構(gòu)和方式，包括所有電氣特性的詳細規(guī)范。RapidIO操作是基于請求和響應的，執(zhí)行過程為有源節(jié)點發(fā)送一個請求需求并傳送到目標節(jié)點，目標節(jié)點執(zhí)行完請求后產(chǎn)生一個響應并返回至源節(jié)點來完成這次操作。RapidIO通信開始時需要一個主控節(jié)點進行控制和管理，在交換體制下，還需要完成橋接配置，節(jié)點交換使用的是靜態(tài)橋接。

圖1：典型RapidIO和FC數(shù)據(jù)互聯(lián)應用場景

圖2：融合互聯(lián)層次結(jié)構(gòu)圖

圖3：RapidIO數(shù)據(jù)包到FC數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換流程

FC協(xié)議來源于美國，最早應用于航空電子系統(tǒng)網(wǎng)絡，美國國家標準委員會還專門成立了研究光纖通道用于航空電子系統(tǒng)的分委員會（ANSI FC-AE），該分委員會與波音公司、洛克西德馬丁公司等合作制定了一組專門用于航空電子系統(tǒng)的FC協(xié)議子集，即光纖通道航空電子環(huán)境（FC-AE），其中FC高層協(xié)議采用的就是FC-AE下的匿名簽署消息傳輸協(xié)議（FC-AE-ASM）。FC協(xié)議替代當前的航空電子主網(wǎng)絡 MIL-STD-1553，已成為航空電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，從現(xiàn)有發(fā)展來看FC協(xié)議必將成為下一代航空電子通信的首選協(xié)議。

FC協(xié)議將通道傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡傳輸?shù)撵`活性結(jié)合在一起，采用層次化的結(jié)構(gòu)，共 分 為5層：FC-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4；定義了3種拓撲結(jié)構(gòu)：點對點、交換式、仲裁環(huán)網(wǎng)絡，此三種方式既可實現(xiàn)高速和高效的傳輸，同時也具有任意節(jié)點全互通特性，特別是交換方式網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，可很好的實現(xiàn)復雜設備的多節(jié)點互連。

由于RapidIO和FC兩種協(xié)議的傳輸方式和通信結(jié)構(gòu)不同，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)交互必然需要相互轉(zhuǎn)換的過程，該過程需要做的實時，無損，兼顧兩種協(xié)議的特點。

2 RapidIO和FC互聯(lián)通信的應用場景

大型系統(tǒng)中由多設備組成，每個設備中又有多個處理集群，每個處理集群中又有多個處理節(jié)點，有的處理集群采用的RapidIO協(xié)議通信，有的采用采用FC通信協(xié)議，每個節(jié)點互聯(lián)互通就需要做到RapidIO和FC的融合互聯(lián)通信。典型的應用場景如圖1。

3 RapidIO和FC互聯(lián)的原理

該技術(shù)主要應用于RapidIO協(xié)議和FC協(xié)議之間的雙向相互通信。該技術(shù)包括RapidIO協(xié)議解析、FC協(xié)議解析和RapidIO協(xié)議數(shù)據(jù)包和FC協(xié)議數(shù)據(jù)包之間的重組和重定向等功能。該通信分為2個方向，對于FC協(xié)議轉(zhuǎn)換RapidIO協(xié)議方向，光纖接收外來FC節(jié)點發(fā)送來的FC協(xié)議數(shù)據(jù)包，解析FC協(xié)議的數(shù)據(jù)包中FC目的ID，根據(jù)目的ID號查找橋接表中的RapidIO協(xié)議的節(jié)點號和發(fā)送空間地址，并轉(zhuǎn)換為RapidIO數(shù)據(jù)包并送達相應的RapidIO節(jié)點，對于RapidIO協(xié)議轉(zhuǎn)換FC協(xié)議方向，接收RapidIO節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，解析RapidIO協(xié)議的數(shù)據(jù)包中RapidIO目的ID，根據(jù)目的ID號查找橋接表中的FC協(xié)議的節(jié)點號，并轉(zhuǎn)換為FC數(shù)據(jù)包并送達相應的FC節(jié)點。本技術(shù)解決了現(xiàn)有技術(shù)中大型系統(tǒng)中RapidIO協(xié)議和FC協(xié)議無法相互通信的問題，實現(xiàn)了RapidIO協(xié)議和FC協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，并且能夠高效率在RapdIO協(xié)議和FC協(xié)議之間進行交互并保留2種協(xié)議的完整功能。

RapidIO協(xié)議為3層結(jié)構(gòu)，包括邏輯層，傳輸層和物理層，F(xiàn)C協(xié)議為5層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)C-0、FC-1、FC-2、FC-3和FC-4。本方案在FC-4上選用為FC-AE-ASM。融合互聯(lián)采用在應用層（RapidIO的邏輯層和FC的FC-4層上的）進行數(shù)據(jù)交互，具體層次結(jié)構(gòu)如圖2。

3.1 RapidIO到FC轉(zhuǎn)換流程

RapidIO到FC轉(zhuǎn)換到過程為，RapidIO節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包到一個接收融合互聯(lián)節(jié)點進行RapidIO協(xié)議解析和數(shù)據(jù)解包，然后根據(jù)接收融合互聯(lián)節(jié)點橋接關(guān)系進行映射和重定向，再進行完成FC數(shù)據(jù)包重組，對重組好的FC數(shù)據(jù)根據(jù)發(fā)送的FC物理節(jié)點放入相應隊列，數(shù)據(jù)包按照順序從FC端口發(fā)送，具體流程如圖3所示。該流程中的對于橋接映射重定向，設計了1個Srio2FC橋接管理模塊。用于完成RapidIO協(xié)議到 FC協(xié)議之間的相互轉(zhuǎn)換。

Srio2FC橋接管理用于管理RapidIO轉(zhuǎn)換換為FC數(shù)據(jù)包，主要功能為FC端口檢測，流量統(tǒng)計，節(jié)點注冊和路由分配。處理過程為每當有一個FC的端口連入，需要發(fā)送一個路由端口注冊報文，報文用于告訴有新的FC端口接入，橋接管理就設置該FC端口為有效并根據(jù)流量分配路由路徑，形成橋接關(guān)系。一旦有RapidIO包指向這個路徑，則按照路徑進行數(shù)據(jù)交換和傳遞。每當有一個FC端口斷開或者有故障時，橋接管理通過FC端口檢測就可以檢測到端口出現(xiàn)問題，會自動完成端口刪除，實現(xiàn)端口動態(tài)接入并保證系統(tǒng)交換狀態(tài)穩(wěn)定，不會出現(xiàn)單端口故障造成系統(tǒng)阻塞。

3.2 FC到RapidIO轉(zhuǎn)換流程

FC到RapidIO轉(zhuǎn)換到過程為，F(xiàn)C節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包到一個接收融合互聯(lián)節(jié)點進行FC協(xié)議解析和數(shù)據(jù)解包，然后根據(jù)接收融合互聯(lián)節(jié)點已配置的橋接進行橋接映射和重定向，再進行完成RapidIO數(shù)據(jù)包重組和計算RapidIO空間地址映射，對重組好的RapidIO數(shù)據(jù)根據(jù)發(fā)送的RapidIO物理節(jié)點放入相應隊列進行發(fā)送，具體流程如圖4所示。

該流程中的對于橋接和重定向，設計了1個FC2Srio橋接管理，用于完成FC協(xié)議和RapidIO協(xié)議轉(zhuǎn)換，RapidIO數(shù)據(jù)包重組。

FC融合后接收數(shù)據(jù)時，F(xiàn)C2Srio橋接管理，會收集每個節(jié)點想信息和系統(tǒng)中的流量，形成并分配路徑關(guān)系，當RapidIO節(jié)點作為數(shù)據(jù)目的時，經(jīng)過橋接管理，會指定RapidIO路徑，自動計算填寫RapidIO空間的映射的地址，形成完整的RapidIO協(xié)議包，發(fā)送到相應的節(jié)點。

3.3 多節(jié)點互聯(lián)

大型系統(tǒng)中一般同時具有多個RapidIO節(jié)點和多個FC節(jié)點，融合互聯(lián)設計時考慮到任意節(jié)點交換需求，單個節(jié)點可向多個節(jié)點發(fā)送，單個節(jié)點可接收多個節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)。其中RapidIO協(xié)議需要用到空間地址而FC不需要使用空間地址，兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換就成為一個難點。為了達到單個RapidIO節(jié)點可發(fā)送到多個目的FC地址，在RapidIO交換枚舉時采用了映射多節(jié)點技術(shù)，對于一個物理的RapidIO節(jié)點，同時衍生出若干個映射節(jié)點號，RapidIO交換機配置的橋接管理把映射節(jié)點號都橋接到融合專用RapidIO節(jié)點，數(shù)據(jù)發(fā)送時使用不同的映射節(jié)點號作為RapidIO的ID號，融合互聯(lián)節(jié)點根據(jù)橋接管理完成RapidIO的ID號和FC的ID號的映射，這樣實現(xiàn)了系統(tǒng)中的一個RapidIO節(jié)點可向任意FC節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。在FC轉(zhuǎn)RapidIO的過程中，由于RapidIO的數(shù)據(jù)傳輸方式為對應地址空間推送方式，F(xiàn)C轉(zhuǎn)RapidIO包需要分配好RapidIO空間地址，并在橋接管理中分配起始地址多和空間大小，再由融合節(jié)點自動計算每一個RapidIO數(shù)據(jù)包的空間地址且使用地址循環(huán)計算，不同的數(shù)據(jù)映射到不同的RapidIO空間，此設計實現(xiàn)了一個RapidIO節(jié)點可接收多個FC節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)。FC節(jié)點使用順序接收，只要完成地址映射就可以實現(xiàn)多節(jié)點傳輸。

4 RapidIO和FC互聯(lián)的實現(xiàn)

通過設計一個RapidIO和FC互聯(lián)模塊實現(xiàn)。實際使用使用時在需要做兩種協(xié)議之間通信的位置部署該模塊即可。該模塊使用軟件和硬件相結(jié)合分方式，硬件采用FPGA實現(xiàn)兩種協(xié)議的實時轉(zhuǎn)換，軟件采用CPU實現(xiàn)系統(tǒng)的橋接配置、更新和管理，流量監(jiān)控，狀態(tài)監(jiān)控，BIT上報等功能。實現(xiàn)框圖如圖5。

該模塊保留了RapidIO和FC各自的特性，包括多節(jié)點交換，流量控制等特性。RapidIO端采用3.125Gbps×4模式，F(xiàn)C端采用4個單線速為4.25Gbps的光纖通道與之匹配，能做到數(shù)據(jù)通過率對等，無通信瓶頸。

該模塊實際測試結(jié)果單融合互聯(lián)節(jié)點雙向通過率達到1GB/s。

4.1 硬件設計

RapidIO和FC互聯(lián)模塊的硬件設計需具有實時高效高速。主芯片采用大規(guī)模FPGA，F(xiàn)PGA具有至少16路高速串行通信鏈路（大于4.25Gbps），大容量緩存，F(xiàn)PGA中的運行速度需要達到160M以上。該模塊采用VPX板卡結(jié)構(gòu)形式，符合VITA46的協(xié)議，具有抗震動，耐沖擊特性，具有高可靠性，特別適合軍用電子設備應用環(huán)境。

4.2 軟件設計

軟件設計采用嵌入式CPU和vxWorks實時操作系統(tǒng)，設計具有文件系統(tǒng)，千兆以太網(wǎng)絡接口。實時操作系統(tǒng)的使用既實現(xiàn)了CPU運算的便利性和接口標準性和豐富性、軟件的靈活性，又解決了系統(tǒng)中的可靠性和實時性。使用軟件實現(xiàn)橋接實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡便利配置，并使用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)靈活固化?；诓僮飨到y(tǒng)的軟件實現(xiàn)了模塊狀態(tài)的實時監(jiān)控和查詢，橋接狀態(tài)的實時查詢和配置，以及FC和RapidIO數(shù)據(jù)流狀態(tài)的實時監(jiān)控、查詢和記錄。

5 結(jié)束語

本文介紹了RapidIO和FC的特點，分析了兩種協(xié)議互聯(lián)的需求和應用場景，提出了一種RapidIO和FC互聯(lián)難點，詳細分析了兩種協(xié)議的融合互聯(lián)的流程、處理方法，對其中的關(guān)鍵點給出了實現(xiàn)方案，詳細介紹了兩種協(xié)議互聯(lián)通信技術(shù)實現(xiàn)要點，最后從實際應用的角度提出方案，并給出了測試數(shù)據(jù)。

圖4：FC數(shù)據(jù)包到RapidIO數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換流程

圖5：RapidIO和FC融合互聯(lián)模塊實現(xiàn)框圖