CN109218231A - 一种RapidIO交换网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种RapidIO交换网络，RapidIO交换网络由多个作为节点的P2020处理芯片和多个作为交换机的CPS1848交换芯片组成。作为主节点的P2020处理芯片在初始化程序中使用DFS算法搜索整个网络拓扑结构，枚举发现网络中所有RapidIO设备，获取节点和交换机的个数以及各设备间的连接关系，在此基础上动态配置路由表，完成网络初始化配置。RapidIO网络中各终端节点通过配置自身寄存器，实现Doorbell、Mailbox和DirectIO三种节点间高速数据通信功能。本发明实现了RapidIO组网通信的功能，为RapidIO总线在现代航电系统中的广泛应用提供支持。

Description

一种RapidIO交换网络

技术领域

本发明属于航空电子系统中的机载计算机领域，特别涉及基于RapidIO总线技术实现的嵌入式航电设备互连技术。

背景技术

目前，随着机载航电系统功能和性能要求的不断提高，开放式的航空电子体系架构对系统内部各个功能模块间的数据交换和数据传输速率、规模的要求也越来越高，对总线提出了更高的要求，传统的并行总线由于受到时钟频率和信号走线的限制，已经成为高速运算和处理系统的瓶颈。如何选择合适的总线以满足新型航空电子体系架构的需求，成为业内关注的热点。

高速串行总线中的RapidIO和PCI Express是航电系统中板级互连和芯片级互连的佼佼者，具备高带宽、低延时、高可靠性等特点。相较于PCIe总线，RapidIO总线不仅支持芯片到芯片、板到板间通信，还支持短距离设备之间系统级的通信，适用范围更加广泛；其小包传输效率更高，允许更灵活的拓扑结构和更多样的处理部件，具备更好的系统健壮性，更高效率的流控制机制和更强的错误管理机制；其基于设备ID的路由，简化了系统的拓扑结构，且其传输速率支持软件配置。RapidIO总线具有明显的架构优势和系统灵活性，满足了嵌入式领域所需要的灵活性、可扩展性、鲁棒性等要求。

Fresscale公司的P2020处理器是一款高性能的双核通信处理器，其内部集成了符合RapidIO Interconnect Specification规范的RapidIO控制器，控制器由RapidIO端口和RapidIO消息传递单元组成。每个P2020处理器集成了两个RapidIO端口，均支持1x或4x的物理链路，单条链路最大支持速率为3.125Gbps。消息传递单元支持2个数据消息发送控制器、2个数据消息接收控制器、1个门铃消息发送控制器、1个门铃消息接收控制器以及一个端口接收控制器。

CPS1848是IDT公司的一款高性能RapidIO交换芯片，基于RapidIO2.1规范，共有48路串行通道，可灵活配置为12×4，8×2，18×1的端口工作方式，端口速率最大支持到6.25Gbps，该芯片可通过RapidIO、I2C总线直接操作其内部寄存器。

本发明基于多个P2020和多个CPS1848组成的网络拓扑结构，提出了一种RapidIO交换网络的软件设计方案，为RapidIO总线在现代航电系统中的广泛应用提供了支持。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种RapidIO交换网络，实现RapidIO组网通信的功能，为RapidIO总线在现代航电系统中的广泛应用提供支持。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种RapidIO交换网络，RapidIO交换网络由作为节点的P2020处理芯片和作为交换机的CPS1848交换芯片组成，节点中有一个主节点，其余为终端节点。作为主节点的P2020处理芯片在初始化程序中执行动态路由表配置，所述动态路由表配置包含以下程序步骤：

a)将自身ID设为0；

b)通过维护操作枚举与其相连的其他设备，通过读取设备的原操作和目的操作寄存器，判断该设备是终端节点还是交换机，若为终端节点，则为其分配ID,并将其锁定；若为交换机，则为交换机的锁值寄存器分配一个唯一特定值，并写入交换机的数据结构中，设置标志位为1；

c)遍历交换机的所有端口，若发现某端口有更深的深度，则继续分配当前交换机拓扑出去的所有终端节点和交换机,分配完成后再分配下一个端口所连接的设备；

d)之后再搜索到交换机时，首先读取锁值寄存器的数值，并与访问标志位为1的交换机的锁值进行比较，若不相等，则说明此交换机从未被搜索到，分配一个唯一特定的数值给其锁值寄存器，并写入数据结构，将访问标志设为1；若相等，则说明此交换机已被搜索到过，网络中存在环路，则跳过此交换机，直接访问下一个交换机；

e)重复c)-d)，完成网络拓扑结构采集后,进入下一步；

f)在建好的交换机数据结构模型中，设置交换机路由配置标志，初值为0，表示此交换机未被配置路由信息；

g)根据交换机各端口的深度搜索以及闭环回路搜索结果，通过维护操作将对应的端口号和节点ID信息写入交换机的路由寄存器，完成交换机的路由配置，并把该交换机的路由配置标志设为1；

h)根据交换机的互连情况，找到下一个交换机，查询该交换机的路由配置标志，若为0，则按上一步的步骤，为该交换机添配置路由信息；若为1，则跳过该交换机；

i)重复以上f)-h)，直至整个网络中所有的交换机完成配置。

动态路由表配置还包含以下程序步骤：

j)将网络拓扑结构及交换机路由信息保存到NVRAM中；

k)系统上电后，提取NVRAM里面保存的信息进行RapidIO组网配置；若发现系统网络结构发生变化，则重新执行步骤a)-i)，并将最新的网络拓扑结构信息及交换机路由信息保存到NVRAM中。

各节点之间采用Mailbox事务进行小规模数据传输，过程如下：

1)发送端启动发送模块，触发中断；

2)接收端接收到中断后，将数据存储在内存的队列中，由中断处理程序从队列中提取数据，放到用户定义的消息队列中，由应用层接收函数进行解析。

各节点之间采用Doorbell门铃进行数据传输，过程如下：

1)发送端配置P2020处理芯片的outbound doorbell模式寄存器、目标端口寄存器、目标端口属性寄存器，设置发送端ID、接收端ID、端口号、发送载荷，然后启动发送模块，触发中断；

2)接收端接收到中断后，从P2020处理芯片的inbound doorbell寄存器中读取Doorbell缓冲区在内存中的首尾地址，并将地址中的数据拷贝出来，存储到自定义的消息队列中，由应用层接收函数进行解析。

各节点之间采用DirectIO方式进行数据传输，过程如下：

a)本地使用Nwrite发送数据后，紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell门铃中断给对端。

b)对端接收到Doorbell中断后，根据Doorbell携带的ID信息，解算其偏移地址，从inbound对应偏移地址的内存空间中读取数据，读取完成后紧接着发送一个Doorbell携带自身ID信息的门铃中断给本地，通知本地可准备下一帧数据的发送；

c)本地使用Nread读取对端需发送给本地的数据前，需接收到对端发送的Doorbell门铃中断；在数据读取完成后，本地紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell中断给对端，告知对端数据已读取完成；

其中，Nread为将对端内存中的数据通过本地outbound读取到本地内存；Nwrite为将本地内存中的数据通过outbound写到对端内存。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的RapidIO交换网络具有以下功能：

1)支持RapidIO网络拓扑结构的搜索，即在主节点软件初始化过程中动态搜索网络中的终端节点和交换机，以此为基础配置路由表；

2)支持交换机路由表的动态配置，即在主节点软件初始化过程中使用深度优先(DFS)算法搜索整个网络拓扑结构，为每个终端分配ID，并为每个交换机配置路由表；

3)支持基于NVRAM的RapdiIO快速组网；

4)支持Doorbell中断，Mailbox数据传输以及基于共享地址空间访问的DirectIO数据传输。

本发明可支持RapidIO高速总线在现代航电系统互连中的应用，实现高带宽、低延时、高可靠的数据传输性能，满足现代综合航电系统对系统灵活性、可扩展性、鲁棒性的要求。

附图说明

图1为RapidIO交换网络的硬件结构示意图。

图2为RapidIO交换网络的驱动软件架构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例所提供的一种RapidIO交换网络，其硬件结构参见图1所示，RapidIO交换网络中包括多个节点和多个交换机，节点为P2020处理芯片，交换机为CPS1848交换芯片，多个节点通过交换机相连，组成RapidIO网络，实现多个节点间的高速数据通信。

RapidIO交换网络驱动软件包括RapidIO网络配置功能、Doorbell门铃中断功能、Mailbox数据传输功能和DirectIO数据传输功能。其与底层硬件的关系如图2所示：

1、RapidIO网络配置

RapidIO网络配置包括对各P2020处理芯片和CPS1848交换机的配置。

RapidIO网络配置功能由交换模块上的P2020处理芯片主节点实现，主节点首先通过操作自身的RapidIO控制器配置自身属性，使其具备发送维护事务包的能力；再通过维护事务包为各P2020终端节点分配设备ID，并根据设备ID及各节点与CPS1848交换机端口的连接关系，建立交换路由表，并将路由表信息分别配置到相应的CPS1848交换机。

本实施例支持动态配置路由表，路由表配置由交换模块中的P2020处理芯片完成。

动态路由表配置即在初始化过程中动态搜索整个网络拓扑结构，在此基础上配置每个交换机的路由表。本发明基于DFS算法，使用网络枚举技术实现动态路由表配置，具体实施步骤如下：

1)使用DFS算法搜索整个网络拓扑结构，枚举发现网络中所有RapidIO设备(节点和交换机)，获取节点和交换机的个数以及各设备间的连接关系。具体实现过程如下；

a)交换模块中的主节点P2020配置自身ID为0；

b)主节点P2020通过维护操作枚举与其相连的其他设备，通过读取设备的原操作和目的操作寄存器，判断该设备是终端节点还是交换机，若为终端节点，则为其分配ID，并将其锁定；若为交换机，则为其锁值寄存器分配一个唯一特定值，并写入交换机的数据结构中，设置标志位为1；

c)遍历交换机的所有端口，若发现某端口有更深的深度，则继续分配其拓扑出去的所有终端节点和交换机，分配完成后再分配下一个端口所连接的节点；

d)之后再搜索到交换机时，首先读取锁值寄存器的数值，并与访问标志为1的交换机的锁值进行比较，若相等，则说明此交换机从未被搜索到，分配一个唯一特定的数值给其锁值寄存器，并写入数据结构，将访问标志设为1；若相等，则说明此交换机已被搜索到过，网络中存在环路，则跳过此交换机，直接访问下一个交换机。

e)重复以上步骤，完成网络拓扑结构采集。

2)根据网络拓扑结构，基于DFS算法，动态配置路由。具体实施步骤如下；

f)在建好的交换机数据结构模型中，设置交换机路由配置标志，初值为0，表示此交换机未被配置路由信息；

g)根据交换机各端口的深度搜索以及闭环回路搜索结果，通过维护操作将对应的端口号和节点ID信息写入交换机的路由寄存器，完成交换机的路由配置，并把该交换机的路由配置标志设为1；

h)根据交换机的互连情况，找到下一个交换机。查询该交换机的路由配置标志，若为0，则按上一步的步骤，为该交换机添配置路由信息；若为1，则跳过该交换机；

i)重复以上步骤，直至整个网络中所有的交换机完成配置。

将动态路由表配置与非易失性存储器NVRAM结合，可以实现复杂环境下的RapidIO快速组网能力。在RapidIO网络结构固定或较稳定时，无需每次上电都执行一遍自动拓扑搜索，而直接提取NVRAM里面保存的信息，进行RapidIO组网配置，以提高软件初始化速度。具体实现步骤如下：

1)主节点P2020第一次配置路由信息时，将网络拓扑结构及交换路由信息保存到NVRAM中；

2)系统上电后，默认提取NVRAM里面保存的信息进行RapidIO组网配置；

3)若系统网络结构发生变化，如某个终端节点故障或某个交换机端口故障或出现新的终端节点时，则执行全局自动重构或者局部自动重构，重新按照第一次配置的方法动态查找网络拓扑结构信息，并动态配置交换机路由表；

4)当每次执行完自动重构后，主节点P2020将最新的网络拓扑结构信息及交换机路由信息保存到NVRAM中，实现组网信息的实时更新。

2、RapdiIO数据通信

本发明实现了RapidIO的Doorbell、Mailbox和DirectIO三种节点间通信功能。

2.1 Doorbell门铃中断

Doorbell门铃是一种消息事务，发送端发起门铃中断，接收端收到中断并处理门铃消息。门铃消息大小为32位，有16位可用于存放有效数据载荷。本发明实现Doorbell数据传输的过程如下：

1)发送端配置P2020的outbound doorbell模式寄存器、目标端口寄存器、目标端口属性寄存器等，设置发送端ID、接收端ID、端口号、发送载荷等，然后启动发送模块，触发中断；

2)接收端接收到中断后，从P2020的inbound doorbell寄存器中读取Doorbell缓冲区在内存中的首尾地址，并将地址中的数据拷贝出来，存储到软件自定义的消息队列中，由应用层接收函数进行解析。

2.2Mailbox数据传输

Mailbox也是一种消息事务，其数据传输与Doorbell类似，接收端收到中断后将数据存储在内存的队列中，由中断处理程序从队列中提取数据，放到用户定义的消息队列中。本发明使用Mailbox传输小于4KB的小规模数据。

3、DirectIO数据传输

DirectIO数据传输是一种IO事务，通过两个节点设备之间的共享内存实现数据传输。

本发明基于P2020的ATMU对地址空间的转换支持，通过配置outbound和inbound，将对端的内存空间通过地址映射的方式加入到本地地址访问空间中，实现节点间内存共享。具体实现方式如下：

1)使用DMA实现高速数据通讯。采用Nread和Nwrite两种传输方式：Nread将对端内存中的数据通过本地outbound读取到本地内存；Nwrite将本地内存中的数据通过outbound写到对端内存。

2)采用Doorbell实现通知发送和请求接收的控制消息传递，以提高数据传输的实时性并保证数据的正确性和有效性。实现方法如下：

a)本地使用Nwrite发送数据后，紧接着发送一个Doorbell门铃中断(携带发送端ID信息)给对端。

b)对端接收到Doorbell中断后，根据Doorbell携带的ID信息，解算其偏移地址，从inbound对应偏移地址的内存空间中读取数据，读取完成后紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell门铃中断给本地，通知本地可准备下一帧数据的发送。

c)本地使用Nread读取对端需发送给本地的数据前，需接收到对端发送的Doorbell门铃中断；在数据读取完成后，本地紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell中断给对端，告知对端数据读取完成。

本实施例提供的RapidIO交换网络的驱动软件设计方案，不仅可用于多个P2020和CPS1848组成的通信网络，也适用于P2020与其他设备组成的通信网络中的P2020端，也可被借鉴应用于DSP、FPGA端RapdiIO驱动软件的开发。该软件设计方案目前已在某型航电系统中进行测试，对RapidIO总线技术工程化应用的可靠性进行了验证，为后续型号项目使用RapidIO技术奠定了基础，有助于RapidIO技术向更多系统、型号项目中推广。该发明的应用具有显著的市场前景和经济效益。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种RapidIO交换网络，RapidIO交换网络由作为节点的P2020处理芯片和作为交换机的CPS1848交换芯片组成，节点中有一个主节点，其余为终端节点，其特征在于作为主节点的P2020处理芯片在初始化程序中执行动态路由表配置，所述动态路由表配置包含以下程序步骤：

a)将自身ID设为0；

b)通过维护操作枚举与其相连的其他设备，通过读取设备的原操作和目的操作寄存器，判断该设备是终端节点还是交换机，若为终端节点，则为其分配ID,并将其锁定；若为交换机，则为交换机的锁值寄存器分配一个唯一特定值，并写入交换机的数据结构中，设置标志位为1；

c)遍历交换机的所有端口，若发现某端口有更深的深度，则继续分配当前交换机拓扑出去的所有终端节点和交换机,分配完成后再分配下一个端口所连接的设备；

d)之后再搜索到交换机时，首先读取锁值寄存器的数值，并与访问标志位为1的交换机的锁值进行比较，若不相等，则说明此交换机从未被搜索到，分配一个唯一特定的数值给其锁值寄存器，并写入数据结构，将访问标志设为1；若相等，则说明此交换机已被搜索到过，网络中存在环路，跳过此交换机，直接访问下一个交换机；

e)重复c)-d)，完成网络拓扑结构采集后,进入下一步；

f)在建好的交换机数据结构模型中，设置交换机路由配置标志，初值为0，表示此交换机未被配置路由信息；

g)根据交换机各端口的深度搜索以及闭环回路搜索结果，通过维护操作将对应的端口号和节点ID信息写入交换机的路由寄存器，完成交换机的路由配置，并把该交换机的路由配置标志设为1；

h)根据交换机的互连情况，找到下一个交换机，查询该交换机的路由配置标志，若为0，则按上一步的步骤，为该交换机配置路由信息；若为1，则跳过该交换机；

i)重复以上f)-h)，直至整个网络中所有的交换机完成配置。

2.根据权利要求1所述的一种RapidIO交换网络，其特征在于动态路由表配置还包含以下程序步骤：

j)将网络拓扑结构及交换机路由信息保存到NVRAM中；

k)系统上电后，提取NVRAM里面保存的信息进行RapidIO组网配置；若发现系统网络结构发生变化，则重新执行步骤a)-i)，并将最新的网络拓扑结构信息及交换机路由信息保存到NVRAM中。

3.根据权利要求1所述的一种RapidIO交换网络，其特征在于各节点之间采用Mailbox事务进行小规模数据传输，过程如下：

1)发送端启动发送模块，触发中断；

2)接收端接收到中断后，将数据存储在内存的队列中，由中断处理程序从队列中提取数据，放到用户定义的消息队列中，由应用层接收函数进行解析。

4.根据权利要求1所述的一种RapidIO交换网络，其特征在于各节点之间采用Doorbell门铃进行数据传输，过程如下：

1)发送端配置P2020处理芯片的outbound doorbell模式寄存器、目标端口寄存器、目标端口属性寄存器，设置发送端ID、接收端ID、端口号、发送载荷，然后启动发送模块，触发中断；

2)接收端接收到中断后，从P2020处理芯片的inbound doorbell寄存器中读取Doorbell缓冲区在内存中的首尾地址，并将地址中的数据拷贝出来，存储到自定义的消息队列中，由应用层接收函数进行解析。

5.根据权利要求1所述的一种RapidIO交换网络，其特征在于各节点之间采用DirectIO方式进行数据传输，过程如下：

a)本地使用Nwrite发送数据后，紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell门铃中断给对端。

b)对端接收到Doorbell中断后，根据Doorbell携带的ID信息，解算其偏移地址，从inbound对应偏移地址的内存空间中读取数据，读取完成后紧接着发送一个携带自身ID信息的Doorbell门铃中断给本地，通知本地可准备下一帧数据的发送；

c)本地使用Nread读取对端需发送给本地的数据前，需接收到对端发送的Doorbell门铃中断；在数据读取完成后，本地紧接着发送一个携带自身ID信息的DoorBell中断给对端，告知对端数据已读取完成；

其中，Nread为将对端内存中的数据通过本地outbound读取到本地内存；Nwrite为将本地内存中的数据通过outbound写到对端内存。