一種適用于VPX架構(gòu)的高速帶寬數(shù)據(jù)通信的通用軟件設(shè)計

周 音，張 淵，汪鵬志

（1.中國人民解放軍91977部隊，北京 100036；2.中國船舶集團有限公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

0 引言

議進行組網(wǎng)，形成多網(wǎng)結(jié)構(gòu)；能無線傳輸多種外部在高速高帶寬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，同時存在多處輸入的原始數(shù)據(jù)，外部數(shù)據(jù)主要通過各種外部硬件理器的應(yīng)用環(huán)境下，網(wǎng)控器要完成復(fù)雜的多鏈路接口傳輸進入通信系統(tǒng)。網(wǎng)控器軟件功能復(fù)雜，數(shù)協(xié)議切換以及對無線網(wǎng)絡(luò)進行實時管理，數(shù)據(jù)量據(jù)量大，硬件接口復(fù)雜，且分布在多個處理器下，所大，硬件接口十分復(fù)雜。網(wǎng)控器要完成多種任務(wù)，以基于該應(yīng)用場景，本文提出一種基于VPX總線比如，處于運動狀態(tài)中的多個節(jié)點可按照約定的通的網(wǎng)絡(luò)控制器 DSP通用軟件設(shè)計，屏蔽了 IO物理接信協(xié)議自動組網(wǎng)，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行分層化管理：節(jié)口的區(qū)別，方便移植，降低開發(fā)成本，同時也可以滿點具備遲入網(wǎng)以及退網(wǎng)的功能，整個網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)網(wǎng)足實時數(shù)據(jù)通信中大數(shù)據(jù)量、大計算量、高帶寬傳絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)性調(diào)整；多個子網(wǎng)可根據(jù)約定的通信協(xié)輸?shù)男枨蟆?/p>

1 VPX總線

VPX總 線[1]是 一 種 由 VITA（VME International Trade Association）組織在2007年推出的基于 VME總線標(biāo)準(zhǔn)的新的工業(yè)高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)。它不僅延續(xù)了VME總線的機械結(jié)構(gòu)和基本規(guī)范等特性，而且還具備以下優(yōu)點：

（1）VPX總線使用高速串行通信方式替換并行通信方式，并且設(shè)計了更多的IO接口，大幅增強了系統(tǒng)設(shè)計的靈活度以及數(shù)據(jù)傳輸能力。

（2）VPX總線使用了泰科公司研制的 MultiGig RT2連接器產(chǎn)品，可以將更多的IO口用于提高系統(tǒng)的傳輸速率。同時，這種連接器連接十分緊密，穩(wěn)定性高，具備防靜電保護能力，信號干擾更小，能提高在惡劣條件下傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）VPX總線對電源供電進行了升級，通過使用高電壓輸入，減少背板電流，不僅可以提供更高功率，還能減小電磁兼容帶來的影響。理論上 VPX總線采用 5V供電可提供的最大功率為120 W，而VME總線相同條件下最高僅能提供90 W功率。

考慮到本文中通信系統(tǒng)終端應(yīng)用場景的復(fù)雜性，采用 VPX總線結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以確保系統(tǒng)對更小尺寸和重量、耐高低溫以及抗震性能的需求。除此以外，使用 VPX總線高速差分串行通信方式，能夠為RapidIO接口提供最快可達 5 Gb/s的傳輸速率，能夠滿足通信終端高速帶寬以及高功率的需求，同時也可以有效避免由于終端內(nèi)部板卡間功耗較高而導(dǎo)致的散熱問題[2-3]。

2 系統(tǒng)組成

高速高帶寬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的終端由機箱以及內(nèi)部的功能板卡構(gòu)成，其布局如圖1所示。終端的機箱采用全封閉式加固設(shè)計，各板卡采用機箱傳導(dǎo)風(fēng)冷方式進行散熱處理，各板卡之間通過背板使用 VPX總線進行互聯(lián)互通。終端主要包括六個部分：主控CPU板、接入 CPU板、DSP接收板、 DSP發(fā)送板、電源模塊、背板。

網(wǎng)控器的功能主要在 DSP和CPU板卡上實現(xiàn)。DSP發(fā)送板主要完成發(fā)送時機控制，外部接口數(shù)據(jù)的分類存儲，無線數(shù)據(jù)的組裝等功能；DSP接收板主要完成無線數(shù)據(jù)的接收和解析等功能。主控 CPU板主要完成外部接口數(shù)據(jù)的分類、轉(zhuǎn)換，外設(shè)控制等功能；接入 CPU板主要完成對外人機界面交互，狀態(tài)信息上報等功能。其中，SRIO交換功能主要由 RapidIO交換芯片完成，交換芯片經(jīng) SRIO總線與背板連接器相連，從而完成各板卡之間的高速互通。

3 DSP軟件的分層設(shè)計

基于軟件功能模塊設(shè)計與分層設(shè)計的思想，軟件架構(gòu)設(shè)計分為三層，如圖2所示。

（1）硬件抽象層[4-6]。硬件抽象層主要對片內(nèi)資源（例如中斷、 I/O接口、定時器、寄存器等）進行常規(guī)設(shè)置，將 SFR（special function register，特殊功能寄存器）的詳細(xì)操作封裝起來，形成可供上層調(diào)用的接口。

（2）功能模塊層。功能模塊層調(diào)用硬件抽象層提供的接口，完成片外功能模塊，封裝模塊內(nèi)部的詳細(xì)操作，形成可供上層調(diào)用的接口。

圖1 機箱板卡示意圖

圖2 軟件分層設(shè)計

（3）應(yīng)用程序?qū)印?yīng)用程序?qū)又饕且恍╅_發(fā)類的工作，軟件整體功能的實現(xiàn)。

分層架構(gòu)可以做到以下要求：層與層之間不能跨層調(diào)用；模塊與模塊之間各自獨立，無關(guān)聯(lián)關(guān)系；模塊提供統(tǒng)一的接口供調(diào)用；模塊的功能可以在原有的基礎(chǔ)上進行擴展，但不更改原有的功能。

功能模塊層使用驅(qū)動層的 API，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。驅(qū)動層的 API為自定義的標(biāo)準(zhǔn)接口，除了其他特殊功能函數(shù)，一般會包含如下三個核心函數(shù)：

（1）Interface_Init：初始化函數(shù)，主要完成硬件參數(shù)的配置和初始化工作。

（2）Interface_Send：發(fā)送函數(shù)，主要完成對數(shù)據(jù)的發(fā)送。

（3）Interface_Recv：接收函數(shù)，主要完成對數(shù)據(jù)的接收。

4 基于VPX的DSP軟件設(shè)計

在DSP軟件的分層設(shè)計中，消息傳遞機制是基于VPX架構(gòu)的，各板卡之間高速互通，能滿足多處理器同步，處理器之間交互大數(shù)據(jù)量的要求，故基于 VPX互通的消息傳遞機制是核心。本文設(shè)計基于 VPX互通的消息傳遞機制，消息報文格式如表 1所示。

表1 消息格式

其中，按照消息的分發(fā)方向和消息類型可分為三類：

（1）設(shè)備類型：主要是設(shè)備類的設(shè)備信息，狀態(tài)信息等。

（2）上報類型：主要是向上級控制軟件傳送此類消息，包括各種實時狀態(tài)信息，業(yè)務(wù)申請等。

（3）內(nèi)部類型：主要是機箱內(nèi)部各板卡之間傳遞的消息。

在三種消息類型的基礎(chǔ)上，可定義各子類型消息。消息類的函數(shù)主要有三種：

（1）Msg _Handle（unsigned char bType，unsigned char bSubType，unsigned char* pbData，unsigned short sLen）。消息處理函數(shù)，主要完成消息的解析處理。其中，bTy p e為消息類型，bSubType為消息子類型，pbData為數(shù)據(jù)地址，sLen為數(shù)據(jù)長度。在 Msg _Handle的函數(shù)處理中，會調(diào)用功能模塊層的某些模塊。

（2）Msg_ Dis（unsigned char bType，unsigned char bSubType，unsigned char* pbData，unsigned short sLen）。消息分發(fā)函數(shù)，主要完成消息的轉(zhuǎn)發(fā)以及本版卡此消息類型的處理（調(diào)用 Msg_ Handle）。其中，bTy pe為消息類型，bSubType為消息子類型，pbData為數(shù)據(jù)地址，sLen為數(shù)據(jù)長度。根據(jù)消息類型和消息子類型，發(fā)送指定的數(shù)據(jù)給指定的某個或多個板卡。

（3）Msg _Recv（unsigned char* pbData，unsigned short sLen）。消息接收處理函數(shù)，主要完成消息的接收和緩存。其中，pbData為待接收數(shù)據(jù)的地址，sLen為待接收數(shù)據(jù)的長度。在循環(huán)隊列中完成緩存后，數(shù)據(jù)會在main主函數(shù)中調(diào)用 Msg _ Handle進行解析處理。

基于這個消息傳遞處理機制，可實現(xiàn)多處理器的同步以及多處理器之間大數(shù)據(jù)量的傳遞。同時由于驅(qū)動層自定義 API的存在，消除了底層硬件接口的差異，具備良好的可移植性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種適合高速高帶寬數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，同時存在多處理器的應(yīng)用環(huán)境下，一種基于VPX的DSP軟件通用架構(gòu)設(shè)計，該設(shè)計屏蔽了底層硬件差別，統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)化的硬件接口API，可實現(xiàn)網(wǎng)控器功能，提供多鏈路協(xié)議切換以及對無線網(wǎng)絡(luò)進行實時管理的功能，同時也滿足大數(shù)據(jù)量的要求。同時基于對底層硬件接口區(qū)別的屏蔽，該框架可方便地移植到其他硬件接口的平臺，也實現(xiàn)了模塊化分層化。