RapidIO在綜合化CNI系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧生輝

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036)

RapidIO在綜合化CNI系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧生輝

(中國西南電子技術(shù)研究所，四川成都610036)

作為航空電子信息系統(tǒng)典型代表的CNI系統(tǒng)，采用了綜合化、開放式的思想進行系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計，本文介紹了RapidIO在CNI系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用，對設(shè)計過程中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計、速率和通信機制選擇、傳輸設(shè)計的仿真驗證手段、光纖RapidIO的應(yīng)用等方面的內(nèi)容進行了介紹，最后詳細介紹了RapidIO網(wǎng)絡(luò)的軟件的設(shè)計。通過在CNI系統(tǒng)中的應(yīng)用和試驗驗證，證明了RapidIO技術(shù)對于工程型號的實用性，這對后續(xù)型號工程化應(yīng)用具有重要意義。

綜合化航空電子信息系統(tǒng)RapidIO CNI

1 引言

近年來，綜合化已經(jīng)成為航空電子信息系統(tǒng)發(fā)展的一個主要趨勢，其主要原因之一就是綜合化是解決航電傳感器體積、重量以及功耗問題的一個主要手段，而通信、導航、識別（簡稱CNI）系統(tǒng)與雷達、電子戰(zhàn)、光電等子系統(tǒng)一樣是綜合化航空電子信息系統(tǒng)的重要組成子系統(tǒng)[1]，因此綜合化的CNI系統(tǒng)設(shè)計也是CNI系統(tǒng)發(fā)展的一個主要方向。

對于綜合化的航空電子信息系統(tǒng)設(shè)計來說，其系統(tǒng)體系架構(gòu)的設(shè)計是至關(guān)重要的，合理的體系架構(gòu)設(shè)計可以為系統(tǒng)帶來可靠性指標的大幅提升、縮短系統(tǒng)研制周期、減少后期維護成本等多方面的好處。

在進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程中，采用開放式的體系架構(gòu)優(yōu)勢尤其明顯，開放式的系統(tǒng)架構(gòu)允許系統(tǒng)具備可擴展性、很容易插入或更新新的功能及技術(shù),從而延長裝備的壽命周期。其中，總線互連是高度集成、開放式系統(tǒng)的一個重要研究內(nèi)容，一個系統(tǒng)是否具有開放性，在很大程度上取決于總線的性能[2]。

綜合化的CNI系統(tǒng)設(shè)計正是采用這樣一種開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，分別在結(jié)構(gòu)、模塊通用化、總線選型等方面遵循開放式的思想進行系統(tǒng)設(shè)計。

綜合化CNI系統(tǒng)由天線及兩個機架組成：一個綜合射頻機架和一個天線接口單元，在結(jié)構(gòu)上均采用通用化、開放式的設(shè)計。所有的模塊均采用LRM結(jié)構(gòu)設(shè)計，大部分的模塊采用通用化的類設(shè)計，類內(nèi)可以實現(xiàn)任意互換。這種基于標準模塊的設(shè)計，加上統(tǒng)一的總線接口設(shè)計，使得CNI系統(tǒng)具備了基于模塊的動態(tài)資源配置、動態(tài)故障重構(gòu)及冗余備份的能力。綜合化CNI系統(tǒng)組成示意簡圖如下圖1所示：

圖1 綜合化CNI系統(tǒng)組成示意簡圖

2 高速總線的選擇

開放式的航空電子體系架構(gòu)設(shè)計對總線提出了更高的要求，傳統(tǒng)的航空總線，例如ARINC429、ARINC629、1553B總線等因為帶寬受限等明顯的缺陷，已經(jīng)不能滿足新的航空電子體系架構(gòu)的需求，必須尋找一種高速的總線來滿足開放式體系架構(gòu)的需要。

總線技術(shù)本身的發(fā)展也存在一些規(guī)律，目前比較常用的高速總線基本都是屬于串行總線技術(shù)，因為傳統(tǒng)的并行總線技術(shù)發(fā)展到一定的階段之后，其數(shù)據(jù)傳輸帶寬的能力無法繼續(xù)得到提升，因此主要的一些國際組織和企業(yè)均轉(zhuǎn)向開發(fā)高速的串行總線技術(shù)，最為典型的就是PCI總線向PCIe總線的轉(zhuǎn)變，其它的高速總線如速率為SATA、1394、Infiniband等無一例外的都是采用串行總線技術(shù)，使得傳輸速率達到Gbps的量級，這也主要得益于近年來高速收發(fā)器性能水平的迅速提升。

作為航空電子信息系統(tǒng)一部分的CNI子系統(tǒng)屬于典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，系統(tǒng)互聯(lián)要求同時具備芯片級互聯(lián)、模塊級互聯(lián)、機架級互聯(lián)的能力。但是某些總線從設(shè)計之初決定了只有在針對特定應(yīng)用的時候才能發(fā)揮其最大的優(yōu)勢，例如SATA是為替換并行ATA而設(shè)計出來的高速串行接口設(shè)備接口，而Infiniband則主要是針對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)存儲的服務(wù)器接口。在對高速總線的芯片物理接口、支持的拓撲形式、編程模型等綜合考慮后，初步選出高速串行總線中的RapidIO和PCIe比較適合CNI系統(tǒng)的要求，進一步進行比較后發(fā)現(xiàn)，RapidIO串行總線的小包的傳輸效率更高、允許更靈活的拓撲結(jié)構(gòu)和多樣的處理部件、更好的系統(tǒng)健壯性、更高效率的流控機制、更多級的服務(wù)質(zhì)量和更強的錯誤管理機制，適用于高實時性、高可靠性的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計[3]。因此，最終選擇RapidIO總線作為綜合化CNI系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸總線。

3 RapidIO網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

RapidIO網(wǎng)絡(luò)設(shè)計技術(shù)可以分為兩方面的內(nèi)容：總體設(shè)計技術(shù)和節(jié)點設(shè)計技術(shù)。總體設(shè)計技術(shù)主要對一些共性的的設(shè)計問題進行反復論證和設(shè)計，保證系統(tǒng)從整體上不會出顛覆性的問題，總體設(shè)計技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)速率和通信機制的選擇、傳輸設(shè)計仿真、軟件架構(gòu)設(shè)計等方面內(nèi)容。而節(jié)點設(shè)計技術(shù)主要側(cè)重于節(jié)點的實現(xiàn)方式，包括交換節(jié)點和端節(jié)點的設(shè)計，更多的是一些設(shè)計細節(jié)的實現(xiàn)，典型的內(nèi)容包括：模塊類型劃分、交換芯片和端接芯片的選擇、模塊內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計和模塊內(nèi)部的時鐘、電源、連接關(guān)系等設(shè)計內(nèi)容。本小節(jié)內(nèi)容將對RapidIO技術(shù)在綜合化CNI系統(tǒng)設(shè)計中涉及到的一些總體技術(shù)進行介紹。

3.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以說是總線技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，系統(tǒng)后續(xù)的的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計都將圍繞首先設(shè)計好的的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計最典型的有兩種：分布互聯(lián)方式和集中交換方式。前者是所有端節(jié)點之間的點到點互聯(lián)，適用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量比較少、連接關(guān)系相對簡單的系統(tǒng)。后者以交換芯片為核心構(gòu)建交換網(wǎng)絡(luò)，其余節(jié)點作為端節(jié)點分別接入各個交換芯片，構(gòu)成整個系統(tǒng)的Fabric網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型，適用于節(jié)點規(guī)模較大的系統(tǒng)，而且這種架構(gòu)也便于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理和系統(tǒng)后續(xù)的擴展，使得系統(tǒng)的開放性更好。本文描述的綜合化CNI系統(tǒng)即是采用這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

CNI系統(tǒng)的RapidIO網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 RapidIO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

從上圖可以看出，CNI系統(tǒng)中的RapidIO網(wǎng)絡(luò)是典型的1+1備份的雙星型集中交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩個交換網(wǎng)絡(luò)分別配備一個網(wǎng)管，即主備網(wǎng)管。

從物理構(gòu)型上來說，配備了兩個RapidIO網(wǎng)絡(luò)交換模塊，每個交換模塊上有若干交換芯片，交換芯片之間交叉互聯(lián)，每個交換芯片提供若干網(wǎng)絡(luò)端口供其余模塊上的網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點接入，每個端節(jié)點對稱的接入主網(wǎng)絡(luò)（實線所示）和備網(wǎng)絡(luò)（虛線所示），系統(tǒng)默認使用主網(wǎng)絡(luò)，在主網(wǎng)絡(luò)故障的情況下自動切換至備網(wǎng)絡(luò)。主備網(wǎng)管功能集成在交換模塊上，由基于PowerPc處理器硬件和嵌入式操作系統(tǒng)的軟件編程實現(xiàn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)速率和通信機制選擇

從標準規(guī)范的發(fā)布情況來看，RapidIO 1.x標準支持的信號速率為1.25Gbps、2.5bps和3.125Gbps[4]。后續(xù)發(fā)布的RapidIO 2.x標準在兼容RapidIO 1.x標準基礎(chǔ)上，增加了支持5Gbps和6.25Gbps的傳輸速率。

CNI系統(tǒng)功能眾多，但是單個功能的數(shù)據(jù)量有限，大部分的數(shù)據(jù)傳輸以突發(fā)方式傳輸，因此瞬時帶寬要求高而平均帶寬要求低。在對系統(tǒng)總突發(fā)數(shù)據(jù)率需求分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮了系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)難度（例如高速連接器選擇、廠商芯片的支持程度、高速背板設(shè)計復雜度）等因素后，本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率定為1.25Gbps，1×模式。

雖然RapidIO規(guī)范支持消息通信、全局共享內(nèi)存（GSM）、直接內(nèi)存存取（DMA）等多種通信機制[5]，但是在考慮到芯片廠商的支持程度（因為模塊設(shè)計會涉及到DSP和PPC等多類型的廠商芯片，需要都支持相同的通信機制）后，CNI系統(tǒng)中的RapidIO最終采用消息通信作為本系統(tǒng)RapidIO的通信機制。

3.3 傳輸設(shè)計仿真

航空電子產(chǎn)品綜合化的過程在對系統(tǒng)體積、重量、功耗等逐步優(yōu)化的同時，也必然使得系統(tǒng)布局更加緊湊，單位面積上和單位空間中電路的集成度更高，導致系統(tǒng)對電磁兼容方面的問題更加敏感。同時，相對于傳統(tǒng)的較低速的總線而言，RapidIO這種高速傳輸總線所涉及到的高速數(shù)字信號的傳輸本身也對硬件實現(xiàn)技術(shù)提出了更高的設(shè)計要求。

因此在系統(tǒng)設(shè)計上采用類似RapidIO網(wǎng)絡(luò)這種高速傳輸技術(shù)的時候，十分有必要考慮一些先驗的手段保證系統(tǒng)傳輸設(shè)計的可實現(xiàn)性，防止顛覆性問題的出現(xiàn)。

例如本系統(tǒng)設(shè)計進行的過程中即對綜合射頻機架的復雜背板進行了一系列的仿真，包括高、低速傳輸線仿真和電源線仿真等。針對RapidIO傳輸線引入串擾后傳輸效果仿真，串擾模型和眼圖分析分別如下圖3和圖4所示：

圖3 RapidIO仿真串擾模型圖

圖4 RapidIO仿真眼圖分析

在系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)之后，再針對實際硬件進行眼圖、BER、阻抗一致性等方面的測量，分析抖動、噪聲、串擾、傳輸線效應(yīng)等對實際傳輸效果的影響，以保證RapidIO網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)本身沒有任何問題，這樣也可以縮短系統(tǒng)聯(lián)試過程中故障定位時間，同時實測結(jié)果也可以用用來對仿真結(jié)果進行驗證。事實上，CNI系統(tǒng)后續(xù)的測試結(jié)果和上述的仿真結(jié)果基本一致，也就證明了仿真過程及其結(jié)果的正確性。

3.4 光纖RapidIO的使用

根據(jù)飛機上安裝位置的設(shè)計，天線接口單元的安裝位置靠近天線，距離CNI綜合射頻機架的距離較遠。因此，在系統(tǒng)設(shè)計的時候創(chuàng)新的提出了CNI綜合射頻機架與天線接口單元間采用通過光纖連接來進行RapidIO網(wǎng)絡(luò)的擴展連接。

通過綜合射頻機架中的通用接口模塊，實現(xiàn)RapidIO網(wǎng)絡(luò)電到光的轉(zhuǎn)換，將天線接口單元中的RapidIO節(jié)點直接接入綜合射頻機架中的RapidIO網(wǎng)絡(luò)（如圖2所示），保證天線接口單元數(shù)據(jù)傳輸效率的同時，也方便了系統(tǒng)控制管理軟件對天線接口單元中模塊資源的管理。

在光纖應(yīng)用設(shè)計的時候由于RapidIO采用基本的1.25Gbps的速率，因此普通62.5μm多模光纖即可滿足需要，但是普通的民品光纖連接器大部分不能滿足機載振動環(huán)境的使用要求，因此CNI系統(tǒng)總體設(shè)計規(guī)定了必須選用相關(guān)耐環(huán)境要求的專用機架光纖連接器和LRM模塊光電混裝連接器，以提高系統(tǒng)整體的可靠性。

4 RapidIO軟件設(shè)計

綜合化CNI子系統(tǒng)進行軟件設(shè)計的時候，軟件體系結(jié)構(gòu)全部使用開放式軟件結(jié)構(gòu)，完成了分布式多處理器系統(tǒng)的軟件構(gòu)型設(shè)計。

4.1 實時通信中間件軟件

RapidIO軟件設(shè)計的時候創(chuàng)新性的提出了基于SCA的RapidIO實時通信中間件和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)架構(gòu)，先后突破了RapidIO高速實時通信中間件設(shè)計、RapidIO LIGHT通信協(xié)議棧設(shè)計、異構(gòu)OS統(tǒng)一設(shè)計模型設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

采用基于RapidIO高速總線的RCS協(xié)議取代了CORBA產(chǎn)品中傳統(tǒng)以太網(wǎng)總線TCP協(xié)議，移植后omniORB和ORBExpress產(chǎn)品經(jīng)測試證明其CORBA服務(wù)正常，解決了在以太網(wǎng)總線上架構(gòu)CORBA導致的時延不確定和傳輸速率低等缺點。

軟件間接口遵循CORBA2.6規(guī)范和GIOP1.2互操作規(guī)范。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)和通信中間件主要包括RapidIO通信軟件、RapidIO網(wǎng)管軟件、RapidIO網(wǎng)絡(luò)GUI軟件，向上通過服務(wù)接口為應(yīng)用軟件提供實時通信、平臺資源管理和可視化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)；向下通過硬件抽象適配層與硬件接口，實現(xiàn)應(yīng)用與硬件之間的松耦合設(shè)計。

RapidIO通信軟件是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信的中間件，用戶程序在使用RapidIO網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信的時候，只需簡單的調(diào)用通信軟件提供的接口函數(shù)，使得RapidIO網(wǎng)絡(luò)的傳輸細節(jié)對用戶程序透明。

4.2 可視化網(wǎng)絡(luò)管理軟件

可視化網(wǎng)絡(luò)管理軟件分為RapidIO網(wǎng)絡(luò)管理軟件和可視化配置與管理軟件兩部分。

RapidIO網(wǎng)絡(luò)管理軟件主要完成正常工作情況下，網(wǎng)絡(luò)的路由配置和狀態(tài)管理，保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間通信鏈路的暢通，其主要功能包括：

（1）RapidIO網(wǎng)絡(luò)的枚舉和發(fā)現(xiàn)，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的拓撲關(guān)系表，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的查找、插入和刪除功能,建立節(jié)點通信資源的管理維護表，實現(xiàn)節(jié)點通信功能的配置和維護。

（2）通過RapidIO與系統(tǒng)控制進行信息交互，包括應(yīng)用程序的軟件部署信息，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點資源運行狀態(tài)，以及通信鏈路狀態(tài)。

（3）網(wǎng)絡(luò)路由配置等XML文件的解析；包括通信邏輯鏈路綁定的主備物理鏈路的路由表配置；

（4）雙星型網(wǎng)絡(luò)的主備同步，默認主交換模塊工作，備交換模塊實時記錄網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)，當主交換模塊故障時，備用交換模塊接替主交換模塊的工作；

（5）識別出RapidIO邊緣節(jié)點的鏈路故障并通過CM-GUI代理軟件上報系統(tǒng)監(jiān)控；

（6）判斷出交換網(wǎng)絡(luò)故障，實現(xiàn)雙網(wǎng)絡(luò)時的主備網(wǎng)絡(luò)切換和網(wǎng)絡(luò)邏輯通信鏈路的平滑切換；實現(xiàn)單網(wǎng)絡(luò)時冗余路由的配置，和網(wǎng)絡(luò)邏輯通信鏈路的平滑切換；

（7）網(wǎng)絡(luò)運行日志的記錄，并通過CM-GUI代理，上報給監(jiān)控軟件。

RapidIO可視化配置與管理軟件通過以太網(wǎng)和RapidIO網(wǎng)管程序進行交互信息，用可視化的方法進行物理、邏輯鏈路的顯示、監(jiān)視和配置，并且能夠通過命令行的方式進行系統(tǒng)的控制。通過配置，實現(xiàn)預(yù)案的下發(fā)和存儲。通過監(jiān)控，可以查看系統(tǒng)的運行狀態(tài)，具體包括：

（8）創(chuàng)建配置文件。

（9）用可視化方式來翻譯和表達網(wǎng)絡(luò)配置信息，實現(xiàn)硬件組件和軟件組件的可視化表示，組件和連線的鼠標拖拽。

（10）配置應(yīng)用程序之間的邏輯連接關(guān)系。

（11）配置邏輯連接所使用的主/備物理鏈路。

（12）下發(fā)配置文件，并存儲在RapidIO管理節(jié)點的FLASH存儲設(shè)備中。

CNI系統(tǒng)的RapidIO可視化配置與管理軟件的界面。

4.3 模塊化軟件支持庫

與其它航電功能子系統(tǒng)單一功能不同的是，CNI系統(tǒng)是由來自通信、導航、識別三個方面的多個功能線程組成的多功能并發(fā)工作的復雜系統(tǒng)。在開放式架構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計思想指導下，各功能線程盡可能的使用相同的硬件資源，通過不同的信號處理軟件實現(xiàn)不同的功能，因此多功能線程并發(fā)執(zhí)行的時候，給系統(tǒng)設(shè)計一方面帶來共用軟、硬件資源調(diào)配的問題，另一方面也存在多個參研單位軟件設(shè)計一致性的問題。

綜合化CNI系統(tǒng)不但硬件設(shè)計按照模塊化的的思路，軟件同樣按照模塊化思路封裝為軟件支持庫的形式。由于CNI系統(tǒng)功能眾多，參與研制的單位也較多，因此封裝過后的軟件支持庫為各個廠家的軟件設(shè)計一致性提供了便利，同時由于各家的軟件是在支持庫統(tǒng)一標準的約束下進行開發(fā)，這樣就縮短了各參研單位軟件開發(fā)周期，更極大的降低了系統(tǒng)聯(lián)試過程中的軟件聯(lián)試工作量，縮短了整個系統(tǒng)的研制周期。

以RapidIO網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最多的DSP芯片軟件為例，其組成架構(gòu)圖如下圖6所示，其中DSP的bootloader和加載管理程序、操作系統(tǒng)、通信軟件（中間件）、RapidIO數(shù)據(jù)捕獲和DSP管理軟件、DSP軟件主線程等均由軟件支持庫統(tǒng)一提供。

軟件支持庫為用戶提供詳細的接口說明、用戶軟件開發(fā)流程、使用例程等信息，同時對存儲資源分配、中斷和時鐘使用約束等給出明確的要求，用戶在此基礎(chǔ)上只需完成RapidIO用戶數(shù)據(jù)接收和處理函數(shù)、用戶功能算法軟件兩方面的軟件設(shè)計，整個RapidIO網(wǎng)絡(luò)底層的通信過程實際上對用戶而言是透明的。

Application of RapidIO Interconnection Technique in CNI System

GU sheng-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

As a representative of Avionic integrated electronic information systems,CNI（Communication,Navigation,Identification）system adopted integrated and open system designing methods.In thispaper,some issues about application of RapidIO in CNI system are discussed such as topological structure,rate,work mechanism,simulation technology,fiber application,as well as software designing for RapidIO.The successful application and validation of RapidIO in CNI system are significative for follow-up Avionic program engineering.

Integration;Avionic integrated electronic information systems;RapidIO;CNI

TN971

A

1008-1739（2015）08-51-5

定稿日期：2015-03-26