VPX技术介绍 杨跃江 2009-12-18 杨跃江 13902479857 中科祥云（深圳）信息产业有限公司   1VPX 技术 新型VPX(VITA 46)标准是自从VME引入后的25年来，对于VME总线架构的最重大也是最重要的改进。它将增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。 目前，VME64x已经不能满足国防和航空领域越来越高的性能要求和更为恶劣环境下的应用。许多应用，例如雷达，声纳，视频图像处理，智能信号处理等，由于受到VME64x传输带宽的限制，系统性能无法进一步提高。急需要一种新体制的总线，替代现有的VME64x总线，以提高系统传输带宽。   2B1. VPX标准概述 VITA 46基础标准由VITA46.0（基础协议）和VITA46.1（VME连接）描述，也称为VPX，并成功地于2006年一月引入。这是一个里程碑，因为我们可以确信VITA46标准已经设计和实现出来了。下一步是完成最终文档，并且提交ANSI（美国国家标准化组织）得到正式ANSI批准。   9B1.1 VPX高速串行总线 VPX总线是VME技术的自然进化，它采用高速串行总线替代并行总线是其的最主要变化。VPX采用RapidIO和Advanced Switching Interconnect等现代的工业标准的串行交换结构，来支持更高的背板带宽。这些高速串行交换可以提供每个差分对儿250MBytes/sec的数据传输率。如果4个信道最高1 GBytes/sec的理论速率。VPX的核心交换提供32个查分对儿，组成4个4信道端口，每个信道都是双向的（一发送差分对儿，一接收差分儿）。VPX模块的理论合计带宽为8 GB/sec。 当今基于VME总线雷达系统阵列中的每个系统处理器，都必须等待轮到该处理器获得总先后才能发送数据。这样不仅仅使处理器终止了对当前数据块的处理，同时还终止了处理器对输入数据的处理。 交换结构使所有数据流畅通无阻，来解决这一问题，这样减小了处理延迟和输入数据流的中断。 StarFabric是一个串行转换结构，他利用现有的VME-64背板链接嵌入式多处理器。可是，VME64X接口的物理特性限制限制了它将来的发展。在VITA46开发以前，雷达系统开始面临主卡的性能的制约。VME主卡其中两个最严重的限制是每个插槽上通过信号针的数据量限制，以及严重的功率浪费。VITA46通过采用高速连接器和支持先进的交换结构，着重解决了这两个问题。 由于采集的数据频率越高，图像效果越好。随着雷达数据管道变得越来越大，VPX将成为解决这些新需求的新技术。   10B1.2 VPX接插件 VPX采用了由Tyco公司开发出了模块化的VPX RT2连接器，该连接器内含可控阻抗，低插入损耗，在最高6.25 Gbaud下，串扰小于3%。Tyco公司生产的独特的新7排RT2连接器，与级联块儿和键一起，实现VITA 46模块和背板设计。VITA 46选择RT2连接器的目的是为了解决以下问题： --- 连接器必须可以发送信号至少5 Gbits/sec --- 连接器必须提供充足的I/O，适应现代主卡上日益增加的功能。 ---连接器的尺寸必须能够满足VME标准长度，以便可以安装PMC模块，能够保证0.8英寸的板间距。 ---连接器系统必须足够牢固，这样在军事/航空系统的恶劣环境中才能应用。 VITA 46模块插入和拔出力量与VME64X模块相近。这是因为虽然VITA46拥有更多的接触点，但是Tyco公司的MultiGig RT2连接器使得每个接触点压力降低而又能保证充分的接触。以上结论都是建立在连接器机械结构评估和测试基础上得来的。 VITA 46 工作组对最终交付使用的VPX连接器，为VPX模块标准做了大量的测试认证。这些测试再现了一些最苛刻的环境测试，执行了板级标准。 主要环境参数测试包括如下： - 振动及颤动 - 温度 -适度 - 沙尘 - 耐久 - 静电保护   11B1.3 VPX的I/O能力 VPX拥有着更多的I/O能力，其数量几乎是64X类型卡的两倍。所有的I/O针都有千兆传输能力，最高到6.25 Gig/Sec。并且有辅助的VITA 48标准选择，使得每个插槽可以插更高功率的板子。与传统的VME技术比VPX的针脚数要多，一般的6U VPX模块可以提供： 总共707个非电源电触电 总共464个信号： 64个信号，用于核心交换的32个高速差分对 104个信号，用于实现VME64的 268个通用用户I/O，其中包括128个高速差分对儿。 28个信号，用于作系统信号（重启，JTAG，寻址等），其余未使用。 VPX提供最高32个网络交换针，这些针的作用： ---得到更多的吞吐量 ---提升性能 --实现网状拓扑结构 ---减少插槽数 ---无需交换插槽 ---节省空间和降低重量 12B1.4 VPX的电源改进 VPX改进了电源供电。5V最高可达115W，12V最高可达384W，48V最高可达768W。 如此大功率的电源，允许板子集成更多的功能。可选的更高的电压输入，可以减少背板的电流，降低重量和降低电子兼容问题产生。   3B2. VPX高速串行总线 新串行交换结构技术使得军用和航空嵌入式计算机系统得到更高的性能，同时减少系统成本和重量。如今有多种高性能交换结构技术可供选择。这其中的三个——Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，优点最多。GbE是基于IP数据通信的标准，无论是平台间网络还是在同一个背板中的子系统。SRIO是DSP应用中高密度多处理簇互联的最好方式。第三种，PCIe事实上已经是，核心处理器到外围设备高带宽数据流传输应用的标准。图1展示了嵌入式系统的网络结构的概念。   因为不可能有一种网络交换技术可以满足国防和航空嵌入式应用领域中所有的需求，所以业界各大特种计算机公司提出了分层（hierarchy）解决方案——使用GbE作为平台间网络互联，并且使用SRIO和PCIe作为底板总线交换网络互联。使用这种方式，国防和航空系统集成商可以在他们系统中应用交换结构技术。   GbE，SRIO以及PCIe各有优势，如果将这些交换结构结合在一起应用于嵌入式军用系统中，将形成功一种新的能强大的结构。经过应用，主要的芯片，板子大量真实评估，以及主板整体设计，一种被称为VPX新的高性能底板问世。无论客户应用采用分布的、集中的，还是混合的网络拓扑结构，这种存在多种网络交换的计算平台，允许用户选择最合适的网络来满足系统需求设计。   GbE可以应用于松散耦合系统的链接，SRIO, PCIe,或两个结合使用适合于处理器，外围设备以及板卡之间的紧密耦合通信簇。用户可以使用1/10GbE交换网络建立Intra-Platform Network(IPN)来有效的传输IPv4/v6信息包，用户可以使用标准的电缆连接不同的系统，或者通过标准底板进行板子与处理器间传输（参看图1）。SRIO更适用于组建网状拓扑结构的数字信号处理器应用，PCIe更适用于核心处理器到外围设备的高带宽数据传输。   13B2.1高性能网络1/10 Gbe交换   以太网是目前最普遍的网络技术。几乎所有的网络通信的起始和重点都有以太网连接。这种商业领域广泛的应用正在影响军用市场，找到某种方式将网络中心引入加固国防应用市场。   Network Centric Warfare (NCW)学说的实现推动了高带宽、高可靠的IP网络的战场通信的发展。随着国防部对利用现有资源无缝连接到全球网络的迫切需求，1-GbE网络交换已经成为链接机箱和链接板子，组建今天高带宽IP平台网络的首选。   将来的技术转向1/10Gbe网络是很自然的事情，它是一种高速网络的解决方案，足可以满足日益增长的苛刻应用需求。为了满足有效地在平台资源间传输音频，视频，控制及管理数据的需求，支持IPv4/v6的1/10 Gbe提供了统一的方法来进行标准数据传输。   通过简单的在原来系统上增加交换机或PMC交换卡，在VME64x机箱里组建星型或双-星型网络来升级原有系统。采用VPX背板的新系统不仅可以允许1 GBE接口，还可以允许10 GBE接口通过背板路由，这样很容易增加网络带宽。   对于高性能网络，VPX系统采用类似于VME64X系统的集中交换结构，（例如一个VPX交换/路由卡或者一个X/PMC交换卡）通过GbE连接机箱中的板子，机箱可以采用铜或者光介质链接，组建分布式或集中式的网络拓扑结构（参看图2）。 虽然有很多现行的GbE标准，其中的最流行的几个标准和特性包括：   1000BaseT，一般用于铜介质背板进行板间或处理器间通信。1000BaseSX(1 Gb/s)一般用于光介质传输。XAUI一般用于堆栈或者作为数据干路的10 GbE交换卡。 每个GbE接口是10 Mb/s, 100 Mb/s,和1 Gb/s自适应, 或者通过链接代理得到多种速率，提供高性能连接。 以太网未来的标准将会发展到背板上支持802.3ap (一个信道的1000Base,四个信道的10GBaseKX4以及一个信道的10GBaseKR)。 新一代1/10 GbE交换芯片将很快投入市场，每个口运行速度可以在1,2.5,5,和10 Gb/s。 优化的1和10 GbE NIC芯片即将投入市场，它可以通过远程直接内存访问(RDMA)和TCP卸载引擎（TOE)消除网络瓶颈(举例来说：一个10 GbE RDMA/TOE NIC芯片可以达到800-MBytes/s，并且占用最小的处理器周期进行大的数据传输)   由于采用RDMA和TOE技术减轻了1/10 GbE终端节点的瓶颈和TCP/IP协议握手所花费的处理器额外负载，使得GbE还可以应用到低延迟，高吞吐量和确定操作的嵌入式高性能聚合应用中。   在商业领域中，1 GbE 和10 GbE 能否迅速的应用到大多数主要的军用平台的决定因素，是降低成本提高性能。   14B2.2 串行RapidIO 发展壮大   SRIO, 高速串行交换结构技术，正在多处理器信号处理应用例如雷达，声纳，自动目标识别以及信号智能等高性能数据传输扮演越来越重要的角 {MOD}。SRIO综合了许多的重要特性，使它比PCI Express和以太网更适合组建大量的处理器间通信的大型多处理器系统。采用传统的StarFabric或者Race++连接技术构造系统设计师们发现，他们的下一代产品如果使用基于SRIO产品开发会很容易成功。SRIO特性包括：   每组包括一个发差分儿送及一个接收差分儿（称为一个信道）1.25,2.5,或者3.125 Gb/s信号速率，每个信道单方向最高可以到312.5 Mbytes/s 每个SRIO口可以有一个或者四个信道， 每个口单方向最高的理论数据速度为1.25Gbytes/s 8B/10B编码以，端对端封包CRC校验 四级优先权 采用消息和门铃方式进行有效的处理器间通信。用于高可靠应用的冗余路由。   SRIO在建立多处理器系统时，与同类产品相比较有很多不同。SRIO为点对点通信设计，支持寻址模型，支持消息传输等方式确保高效、快速的数据传输。串行RapidIO系统可以构造任意拓扑结构，这对构建变化多端的数据流DSP系统是非常重要的。   最近军事及航空信号处理市场最重要的变化是VPX模块格式的引入。VPX格式协议（包含VITA 46及附件VPXREDI/ VITA 48）利用现代高速串行接口的性能，建立了一个新的COST标准。VSO组织标准定义了VME-以及cPCI-兼容的3U-和6U-尺寸模型，使用当今高速串行网络比如说SRIO的信号速度的现代背板连接器。VPX标准基于"核心网络"连接器的概念，充当板间通信媒介，也就是我们常说的"交换串行背板"。在VPX中，核心网络包含4个四信道 SRIO口。在SRIO 3.125 Gb/s的信号速率时，VPX板可以访问5 Gbytes/s发送和5 Gbytes/s接收，总共10 Gbytes/s的通信带宽。当前，几个领先的嵌入式厂商包括Curtiss-Wright已经发布基于SRIO连接的VPX产品。标准的6U格式，参看图3（研祥VPX-1811） 15B2.3 PCI Express: 高性能接口   PCIe接口普遍应用于商用桌面电脑，笔记本及服务器中。在大量PC应用中，PCIe的普及有助于降低PCIe交换芯片和PCIe外围设备的成本。尤其最近，PCIe开始移植到先进的单板计算机和数字信号处理器模块中，部署于军用及航空应用设计中。由于在PC市场的普及，使得低成本成为优势，技术上说，PCIe确实是一种先进的连接技术。它的主要特性包括：   点对点通信：每个链接（点对点连接）可由1，2，4，8，16，或者32信道组成。 每个lane由一个传输和一个接收对儿组成，发信为2.5Gband，理论上数据速率为每信道每方向250Mbytes/s，或8信道总合数据速率为4 Gbytes/s。 每个数据位采用8B/10B编码和每个信息包端对端CRC提供充分的错误校验。 它的信息包承认协议，在错误时自动重发，提供端对端可靠数据传输不需要软件控制。 数据流划分优先次序 它的物理层强制位不规则性来降低EMI（消除长序列1或者0，目的是消除长电平，强制方波） 它的电信号层采用了pre-emphasis/de-emphasis来优化信号完整性，允许低印刷电路和接头原料成本   商业PC市场出现了基于PCIe的各种各样的板子，这些基于PCIe的模块的标准包括：   标准桌面PC的PCI Express卡 ExpressCard模块将替代现今的PCMCIA。 PICMG 3.4 (PCIe on AdvancedTCA) PICMG EXP.0 (CompactPCI Express) PICMG AMC.1 (PCIe on Advanced Mezzanine Card) EPIC Express标准，来自PC/104 Consortium   由VITA标准组织(VSO)定义的，广泛应用于嵌入式军事/航空领域中，基于PCIe的模块标准，以前发布了几个版本。包括先前提及的VPX和VITA 42。VITA 42（也称为VMC"交换Mezzanine卡"）是广泛应用在VME和CompactPCI PMC格式的扩展。VITA42通过在模块上增加两个高速接头，扩展了最初的PMC协议，VITA42.3补充协议定义了PCIe到新的XMC接头的映射。这样，兼容VITA42.3-主卡和mezzanine卡可以通过PCIe进行多个gigabyte/s交换数据，VITA42 可以应用于诸如高解析度图像引擎和G sample/秒模拟的数据采集模块等高级应用。   新的VPX模块标准同样采用了PCIe。图4是代表性的VPX模块，图解了Tyco Multigig RT2背板接头和两个VITA XMC插槽。     4B3. PowerPC处理器   如今国防和航空系统设计师们在选择他们下一代DSP系统结构时有着很多的选择。DSP和通用处理器市场充斥着各种构架的处理器，包括MIPs, X86, ARM和Power构架等产品，他们拥有不同的性能、功率和价格。在众多选择中，Power构架成为了能满足军用航空系统需求的少数处理器之一。为什么这个90年代初才引入的构架能一直牢牢把握这个特殊市场呢？他未来还能一直领导这个市场吗？Power构架的演变过程瞄准嵌入式应用，一直保持低功率、高性能的特点。该构架还将继续演变，以适应未来更复杂的应用。 16B3.1 Power构架的演变 最初的PowerPC构架是由苹果，IBM和摩托罗拉公司共同研制的，他针对IBM公司的RISC(Power)构架处理器进行了优化和增强。虽然最早的PowerPC构架针对桌面系统，但是他优化了指令系统结构（ISAs），使其适用不同的应用。Book E是其ISA指令集之一，他是针对嵌入式市场设计的指令集。他只包括一条Book，性能和功耗在嵌入式应用市场是同样的重要，该指令集很好的平衡了这两者，使处理器能够应用到A&D系统。从那时起，向量处理和电源管理的创新使得PowerPC构架又演化成Power构架，嵌入式系统设计师能够平衡性能和功率因素。 AltVec单指令多数据（SIMD）指令集是重要改进之一，并最终使其演化成Power构架。这个扩展功能于1999年引入，AltVec作为MPC74xx处理器的一部分，苹果公司的G4 Macintosh系列电脑采用了这款处理器。这个革命也为DSP世界带来了突破，用户除了专用DSP芯片有更多的选择，因为AltVec技术使得处理器内核进行向量处理。许多军事应用要求支持浮点运算，AltiVec技术可以提供，因为富电源算比定点运算效率更高，但一般需要额外的硬件。军事和航空应用不像一般的电子应用对成本非常敏感，这些应用对执行效率和支持浮点运算提出更高的要求。有趣的是直到Power.Org官方将AltiVec写进ISA2.0.3发布版本，在这之前他从来就没有作为PowerPC构架的一部分。 表一 今天，对于很多航空和国防DSP应用，AltVec技术都是一种标准的实现方法。他支持多种实时操作系统。专用DSP芯片由于不支持标准的实时操作系统，采用专用DSP芯片比Power构架技术编程更加困难。Power构架允许系统集成师利用大量的第三方供应商提供的高级的工具。 Power构架另外一个重要的优点是低功耗。随着需求的增长，要求在VME和VPX系统中有限空间内部署更多的处理器，Power构架技术开发商开始在一个芯片内集成更多的处理器内核。例如Freescalse的 MPC8641D双核处理器就是这样的处理器。双核处理器可以释放出双倍的性能，但与两个单核处理器比较却降低了电源消耗。将更多的功能集成到一个芯片，板子上芯片数量降低从而提高了可靠性和性能。这也节约了板子空间，要知道班子空间对军事和航空设计师是非常重要的。另外，这样可以解决更高级的系统功率，因为单个芯片更强大，集成更多的功能。   17B3.2 今天A&D应用的革命 Power构架技术在不断的演化，满足SwaP（空间，重量和功率）日益增长的需求，适应雷达和信号处理等应用。我们可以发现Power构架技术关键的改进在于包含多个内存控制器。这些内置的内存控制器，降低了传输延迟，增加内存总线的带宽，从而提高了系统的速度。这在大量消耗DRAM开款的DSP系统中非常重要，因为这样的系统总是频繁的从DRAM中读数据，处理大量的输入数据。当高性能内核等待从内存读取输入数据时是不工作的，此时没有处理数据的能力。例如，研祥智能科技股份公司的VPX-1813引擎使用Power构架技术的MPC8640D处理器。采用DDR3 内存桥片，驱动125MHz DDR内存接口，峰值2GB/s。最新的 VPX DSP引擎使用DDR2内存，以两倍速度运行，并且拥有两个bank（Discovery III一个），这样内存速度提高了4倍。 随着应用需求的不断变化，图像处理系统需要庞大的、可升级的多处理器系统。Power构架技术与x86构架处理器比较最大的优点在于内置支持Serial RapidIO互联技术。Serial RapidIO互联不像GbE和PCIe互联，他可以组建仲裁拓扑网络。Serial RapidIO使用终端和交换模式，是一种真正的点到点多处理网络技术。终端是处理器自己，他通过链接一个或多个Serial RapidIO交换器与其他终端通信。这些终端和交换器共同构成Serial RapidIO网络或互联。 Serial RapidIO不像其他互联技术，他不要求使用专门的拓扑结构，这是非常灵