CN112019457A - 一种基于国产化srio的高速交换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于国产化SRIO的高速交换装置，其中，包括：5个SRIO交换芯片互连，每个国产SRIO交换芯片具有12路4×SRIO链路，SRIO交换芯片有2路4×SRIO链路与其它4片SRIO交换芯片连接，每个SRIO交换芯片对外都有4路4×SRIO接口，整个交换装置对外总共有20路4×SRIO接口；国产千兆交换芯片包含24个千兆接口，实现对外出15路千兆以太网接口和对内与BMC管理模块互连的以太网接口；BMC管理模块通过温度传感器实现工作温度采集；电源控制电路对装置上的主电源供电进行开关电控制，并采集供电电压和电流的供电情况，对国产处理器的监测，获取国产处理器的工作状态和运行版本信息；对外的以太网，提供远程网页访问的功能，实现远程监测和管理交换；国产处理器完成对5片SRIO芯片、千兆交换芯片数据流的管控和调度，给BMC管理模块反馈工作状态信息，国产处理器利用I2C和SRIO总线两种接口方式对5片SRIO交换芯片进行初始化配置、路由管理配置和交换链路状态信息监测。

Description

一种基于国产化SRIO的高速交换装置
技术领域
本发明涉及数据通信技术，特别涉及一种基于国产化SRIO的高速交换装置。
背景技术
在雷达信号数据处理系统，包括DSP处理刀片、高性能密集处理刀片、存储处理刀片、预处理刀片等刀片，这些刀片通过高速交换装置进行通信和数据传输。本发明设计并规划一种高速交换装置，采用国产化的设计方法，在交换装置上利用国产SRIO交换芯片实现SRIO总线的高速交换、利用国产以太网交换芯片实现千兆以太网总线的传输交换、利用国产处理器实现装置上交换芯片的管理和控制；同时在交换装置上进行SRIO交换的单播和组播设计，满足一对一和一对多的不同通信模式、满足SRIO数据错误重传的通信需求、满足SRIO端设备的复位和热插拔等复杂应用环境需求；最后根据雷达信号数据处理系统内各个处理刀片无阻塞全带宽通信需求，设计国产SRIO的无阻塞全互连拓扑架构。
现有方式中，SRIO的高速交换装置采用国外交换芯片和处理器已满足不了雷达信号数据处理系统对软硬件国产化的要求，同时未考虑组播、热插拔、无阻塞通信等多种复杂环境下的应用需求，满足不了新形势下雷达信号数据处理系统对国产化、全带宽无阻塞和复杂环境灵活使用的高要求。
现有方式中，雷达信号数据处理系统采用国外芯片来实现交换装置，同时未实现全带宽无阻塞和复杂环境灵活应用的功能。但随着雷达处理系统对国产化需求的不断提高和信号数据处理软硬件的飞速发展，采用国外芯片实现的交换装置已满足不了新形势下全国产化软硬件的高要求，满足不了新形势下雷达信号数据处理系统对复杂环境灵活应用和全带宽无阻塞使用的高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于国产化SRIO的高速交换装置，用于解决现有雷达信号数据处理系统对系统无法按满足软硬件国产化的高要求的问题。
本发明一种基于国产化SRIO的高速交换装置，其中，包括：5个国产的SRIO交换芯片、国产处理器、国产千兆交换芯片、BMC管理模块、温度传感器和电源控制电路；5个SRIO交换芯片互连，每个国产SRIO交换芯片具有12路4×SRIO链路，SRIO交换芯片有2路4×SRIO链路与其它4片SRIO交换芯片连接，每个SRIO交换芯片对外都有4路4×SRIO接口，整个交换装置对外总共有20路4×SRIO接口；国产千兆交换芯片包含24个千兆接口，实现对外出15路千兆以太网接口和对内与BMC管理模块互连的以太网接口；BMC管理模块通过温度传感器实现工作温度采集；电源控制电路对装置上的主电源供电进行开关电控制，并采集供电电压和电流的供电情况，对国产处理器的监测，获取国产处理器的工作状态和运行版本信息；对外的以太网，提供远程网页访问的功能，实现远程监测和管理交换；国产处理器完成对5片SRIO芯片、千兆交换芯片数据流的管控和调度，给BMC管理模块反馈工作状态信息，国产处理器利用I2C和SRIO总线两种接口方式对5片SRIO交换芯片进行初始化配置、路由管理配置和交换链路状态信息监测。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，还包括前面板，包含J30J接口、千兆网口、复位和指示灯接口。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，还包括：国产VPX20连接器，作为对外通信接口。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，国产化SRIO交换芯片为国产NMS1800的SRIO交换芯片。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，国产处理器采用龙芯中科研制的国产处理器的龙芯2K1000。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，在印制板设计过程中，对SRIO交换的高速数据信号线按端口进行差分等长设计和背钻处理。
根据本发明的基于国产化SRIO的高速交换装置的一实施例，其中，国产处理器支持前出的以太网口和J30J串行接口两种方式进行功能调试。
本发明涉及一种基于国产化SRIO的高速交换装置。实现了雷达信号数据处理系统内各种高性能数据处理刀片之间数据信号的高速无阻塞通信和灵活多样的传输、控制和管理，采用芯片国产化方法解决雷达信号数据处理系统对系统软硬件国产化的高要求。
附图说明
图1是国产化SRIO的高速交换装置的示意图；
图2为国产化SRIO的组播数据流示意图；
图3国产SRIO交换芯片无阻塞互连图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1是国产化SRIO的高速交换装置的示意图，如图1所示，该高速交换装置包括：国产化SRIO交换芯片、国产处理器、国产千兆交换芯片、BMC管理模块、国产VPX20连接器、前面板、温度传感器和电源控制电路。
本发明设计实现一种基于国产化SRIO的高速交换装置。高速交换装置由国产化SRIO交换芯片、国产处理器、国产千兆交换芯片、BMC管理模块、国产VPX20连接器、前面板等组成，其中前面板包含J30J接口、千兆网口、复位和指示灯等接口。国产化SRIO交换芯片由5个芯片互连，它采用天津滨海新区创新中心研制的国产NMS1800的SRIO交换芯片进行设计。国产处理器管理5个SRIO交换芯片和1个千兆交换芯片，它采用龙芯中科研制的国产处理器的龙芯2K1000进行设计。千兆交换芯片实现对外出15路千兆以太网接口和对内与BMC管理模块互连的一路以太网接口，它采用东土科技研制的国产以太网交换芯片KD5660进行设计。BMC管理模块监控温度传感器、处理器状态和控制电源电路。
如图1所示，系统具体工作方案为：
国产化SRIO的高速交换装置上集成国产SRIO交换功能、国产千兆以太网交换功能、国产处理器控制功能等；主要实现对外提供20路4×SRIO链路交换、16路以太网交换、IPMI远程管理；整个交换装置架构遵循VITA65中的SLT6-SWH-16U20F-10.4.2接口协议，VPX连接器采用中航光电科技有限公司研制的国产VPX20连接器，符合VITA 46行业标准，最高速率达到20Gbps。
国产化SRIO的高速交换装置上的国产SRIO交换功能由5个国产SRIO交换芯片互连实现，其中每个国产SRIO交换芯片具有12路4×SRIO链路。同时，每个芯片都有2路4×SRIO链路与其它4片连接，保证SRIO交换芯片间高吞吐无阻塞交换。同时每个芯片对外都有4路4×SRIO接口，整个交换装置对外总共有20路4×SRIO接口。
国产化SRIO的高速交换装置上的国产千兆交换功能采用东土科技研制的国产以太网交换芯片KD5660进行设计，这个芯片包含24个千兆接口、支持二层/三层交换、IP单播组播路由功能。在交换装置上，实现对外出15路千兆以太网接口和对内与BMC管理模块互连的一路以太网接口。
国产化SRIO的高速交换装置上的BMC管理模块通过温度传感器实现对装置上的核心器件的工作温度采集；通过电源控制电路对装置上的主电源供电进行开关电控制，并采集供电电压和电流的供电情况；通过对国产处理器的监测，获取国产处理器的工作状态和运行版本等信息；通过对外的以太网，提供远程网页访问的功能，由此实现远程监测和管理交换。
国产化SRIO的高速交换装置上的国产处理器完成对5片SRIO芯片、千兆交换芯片数据流的管控和调度；同时支持前出的以太网口和J30J串行接口两种方式进行功能调试，支持给BMC管理模块反馈工作状态信息。国产处理器利用I2C和SRIO总线两种接口方式对5片SRIO交换芯片进行初始化配置、路由管理配置和交换链路状态信息监测。
国产化SRIO交换芯片NMS1800由天津滨海新区创新中心研制生产，由于国内研制水平和芯片流片过程中的工艺限制，该芯片与国外IDT公司的可原位替代的芯片CPS1848存在一定的差异性，底层Serdes信号通信驱动能力相比国外SRIO交换芯片CPS1848较弱，具体问题表现在：a、对外SRIO端口连接不稳定；b、端口的数据收发错误计数过多；c、传输误码率高、大数量连续传输数据会失败并停止。
为实现国产SRIO交换芯片正常稳定的通信传输，需要对交换装置上国产SRIO交换部分的印制板设计、电源纹波、上电时序、输入差分时钟和底层Serdes通信信号进行优化配置。具体步骤有：
1)在印制板设计过程中，对SRIO交换的高速数据信号线按端口进行差分等长设计和背钻处理，利用Allergro工具进行PCB信号仿真并选用高速印制板板材；
2)供电电源芯片采用线性电源供电，VDD、VDDS、VDD3、VDDT几种电源要独立电源芯片供电，采用电容、电感把纹波控制在50mV以内；
3)芯片严格按照1800FC-CBGA784焊接回流曲线进行焊接；
4)利用可编程高速差分时钟时钟芯片，控制时钟幅值在600～1200mV之间，时钟频率为156.25MHz、误差控制在100ppm以内且RMS抖动小于1PS；
5)国产交换芯片上电时序要求3.3V先上电而1.2V后上电，上电稳定后进行复位，REXT_P外接偏置电阻12.1KΩ，REXT_N直接接地；
6)通过上述1～5步骤确保交换装置硬件满足条件，然后利用软件配置对底层Serder信号进行优化，配置方法如表1所示，需要按序号顺序依次配置。表格中序号6到序号14是对底层Serder信号参数、预加重参数和去加重参数配置，表1里面的Serder信号参数是几个典型的值；
7)由于实际工程应用环境中的背板和端设备在电气特性的差异性，软件配置完后还需要对底层Serder信号配置参数根据实际情况进行调整，调整方式如8～10步骤；
8)读取寄存器0x158端口状态寄存器，查看PORT_OK端口连接状态位，如果连接异常，调节Serder信号配置参数，经测试可选有效的配置参数如表2所示，直至端口连接状态位正常；
9)查看端口状态寄存器的OUTPUT_ERR、INPUT_ERR的状态，如果有错误，调节预加重和去加重参数，经测试可选有效的配置参数如表3所示，直至错误状态清零；
10)对所有端口状态寄存器进行查询，依次调节Serder信号配置参数、预加重参数和去加重参数，然后生成所有端口上最合适的参数配置表进行存储，下次上电工作前先读取这个参数配置表进行端口参数配置。
经过上述1～10步骤的硬件修改和软件配置，SRIO交换刀片的端口状态达到最优、端口链接正常，端口状态寄存器的OUTPUT_ERR、INPUT_ERR清零，这样保证交换芯片对外SRIO端口连接稳定、端口的数据收发无错误计数、能大数量连续传输数据。
表1国产SRIO芯片NMS1800配置表
Figure BDA0002657902080000071
表2国产SRIO芯片NMS1800的SerdesSerder信号配置参数表
Figure BDA0002657902080000072
Figure BDA0002657902080000081
表3国产SRIO芯片NMS1800的预加重和去加重信号配置参数表
Figure BDA0002657902080000082
图3为国产SRIO交换芯片无阻塞互连图，高速交换装置采用5片国产SRIO交换芯片进行互连来实现全带宽无阻塞的功能。国产SRIO交换芯片最多支持12路4×SRIO链路接口，为实现高速交换装置对外20路4×SRIO链路接口，且全带宽无阻塞功能。
本发明两种传输方式进一步包括：
a、单播和组播功能
国产SRIO交换芯片支持单播和组播两种传输方式：单播方式就是发送一个单独消息到指定的一个目的端口；组播方式就是复制一个单独的消息并将其发送到多个可选择配置的目的端。组播复制消息的能力取决于交换装置内所连接的SRIO端口节点的数量。
SRIO组播功能被限制为无需响应的SRIO操作类型，只有不需要响应的请求包才能用于系统的组播操作。
组播组：统一接收某一特定组播包的目标端点组称为组播组。每一组播组与一个唯一的目的ID关联。
组播掩码：控制一个或多个组播组(目的ID)与哪些输出端口关联。从概念上讲，组播掩码是一个含有每一可能的交换输出端口对应使能位的寄存器。整个交换机有一套组播掩码，同一交换机中的所有组播掩码被分配一个唯一的连续ID数，从0x0000开始。软件把组播组和组播掩码关联起来实现对交换器件的配置。
b、组播设计方法
国产SRIO交换芯片支持把一个端设备的数据通过组播的方式发送给多个端设备，图2为国产化SRIO的组播数据流示意图，如图2所示，设备A利用交换芯片A把数据通过组播方式同时发送给设备B、设备C、设备D、设备E、设备F，具体方式为：1、设备A把数据打包成SRIO包，包的目的ID为设定为0x01；2、交换芯片A把端口0、端口1、端口2、端口3、端口5关联到组播掩码为0x26的组播组里，交换芯片A把目的ID为0x01与组播掩码为0x26关联一起，如表2所示；3、交换芯片A接收到目的ID为0x01的数据包时，组播发送给端口0、端口1、端口2、端口3、端口5；4、设备B、设备C、设备D、设备E、设备F分别接收到端口0、端口1、端口2、端口3、端口5组播数据。
表2国产SRIO芯片组播配置流程表
Figure BDA0002657902080000091
Figure BDA0002657902080000101
c、组播数据错误重传控制方法
SRIO组播功能被限制为无需响应的SRIO操作类型，只有不需要响应的请求包才能用于系统的组播操作。即消息包只能往接收端设备发数，接收端设备不能往发送端反馈信号。为解决组播数据错误或丢包要求重传的需求，需要交换芯片在配置组播路由的基础上再配置单播。用于当接收端进行校验后，发现接收错误时，给发送端反馈接收错误的情况。
d、端设备复位或热插拔后端口重连设计
SRIO交换端口在复位或板卡热插拔后，需要对端口进行重新设置，否则会出现端口显示连接但无法正常进行数据传输。
对于单播模式下，操作比较简单，就是对国产SRIO交换芯片的所有端口进行端口复位操作就可以了。
对于组播模式下，如果同一组播网络内有一个接收端设备(如设备A)复位或断开，这时端设备A相连的交换端口B上依然会继续收到组播数据包但不能发送出去，就会导致交换端口B数据缓存空间阻塞，从而影响到整个组播网络其它端设备的正常通信，直至整个组播组瘫痪。为解决这一个问题，本文设计一种监测管理方法，即每一秒钟对交换装置的所有对外端口进行扫描并控制：1、当发现有一个端口(如端口B)所连接的设备复位或断开，这时把端口B相关的组播链路删除；2、同时对端口B进行端口复位操作，通过复位把阻塞缓存空间清零，保证整个组播链路的正常工作；3、当发现一个端口(如端口C)有设备需要连接，按照交换装置系统要求重新添加组播链路，同时对端口C进行端口复位操作；4、这个过程中一定注意先后顺序，即先操作链路的添加或删除，再复位端口，否则交换不能正常工作。
高速交换装置采用5片国产SRIO交换芯片进行互连来实现全带宽无阻塞的功能。国产SRIO交换芯片最多支持12路4×SRIO链路接口，为实现高速交换装置对外20路4×SRIO链路接口，且全带宽无阻塞功能，图3国产SRIO交换芯片无阻塞互连图。
如图3所示每个交换芯片分别由两路4×SRIO与其他交换芯片互连，同时对装置外4路4×SRIO的链路接口通道。这样互连拓扑图中，每个交换芯片之间互连是均衡的，对交换装置外出也是均衡的。在工作过程中，刀片对外的任意一个对外端口与其他对外端口进行数据交换时，都能实现独占一个路由链路通道而无带宽阻塞。比如同一时间段内，第1路端口与第11路端口进行数据交换、第2路端口与第12路端口进行数据交换…即前10路端口分别后10路端口之间需要同时进行全带宽数据交换通信，如图3所示，第1-4路端口通过A、B、C、D的4个内部链路与第11-14路端口通信、第5-8路端口通过E、F、G、H的4个内部链路与第15-18路端口通信、第9-10路端口通过I、J的2个内部链路与第19-20路端口通信，这样每个对外端口都能有自己独立的路由链路满足他们全带宽无中间带宽阻塞的数据交换。
本发明可以应用于高性能雷达信号数据处理计算机上，采用基于国产化SRIO的高速交换装置，实现了数据处理机内各个处理刀片之间的高速大容量数据的可靠传输和交换。通过对SRIO交换芯片、以太网交换芯片和处理芯片的国产化设计，满足的数据处理机对国产化的需求；通过国产SRIO交换芯片的使用设计，满足数据处理机内SRIO总线间的可靠传输；通过对国产SRIO的无阻塞全互连的拓扑设计，满足数据处理机各个处理刀片无阻塞全带宽的传输需求。利用本高速交换装置，解决整个雷达信号数据处理机的国产化、高速无阻塞通信的传输需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，包括：5个国产的SRIO交换芯片、国产处理器、国产千兆交换芯片、BMC管理模块、温度传感器和电源控制电路；
5个SRIO交换芯片互连，每个国产SRIO交换芯片具有12路4×SRIO链路，SRIO交换芯片有2路4×SRIO链路与其它4片SRIO交换芯片连接，每个SRIO交换芯片对外都有4路4×SRIO接口，整个交换装置对外总共有20路4×SRIO接口；
国产千兆交换芯片包含24个千兆接口，实现对外出15路千兆以太网接口和对内与BMC管理模块互连的以太网接口；
BMC管理模块通过温度传感器实现工作温度采集；电源控制电路对装置上的主电源供电进行开关电控制，并采集供电电压和电流的供电情况，对国产处理器的监测，获取国产处理器的工作状态和运行版本信息；对外的以太网，提供远程网页访问的功能，实现远程监测和管理交换；国产处理器完成对5片SRIO芯片、千兆交换芯片数据流的管控和调度，给BMC管理模块反馈工作状态信息，国产处理器利用I2C和SRIO总线两种接口方式对5片SRIO交换芯片进行初始化配置、路由管理配置和交换链路状态信息监测。
2.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，还包括前面板，包含J30J接口、千兆网口、复位和指示灯接口。
3.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，还包括：国产VPX20连接器，作为对外通信接口。
4.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，国产化SRIO交换芯片为国产NMS1800的SRIO交换芯片。
5.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，国产处理器采用龙芯中科研制的国产处理器的龙芯2K1000。
6.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，在印制板设计过程中，对SRIO交换的高速数据信号线按端口进行差分等长设计和背钻处理。
7.如权利要求1所述的基于国产化SRIO的高速交换装置，其特征在于，国产处理器支持前出的以太网口和J30J串行接口两种方式进行功能调试。
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