（信号与信息处理专业论文）基于rapidio系统互连协议的逻辑设计与验证.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着通信和网络技术的飞速发展，各种嵌入式系统都对设备内部的数据传 输速率提出了更高的要求。传统的分级共享总线结构已达到了极限性能，互连技 术问题已经成为制约嵌入式系统整体性能提高的瓶颈。面对这些挑战，些基于 点对点交换式高性能总线互连结构应运而生，而r a p i d l o 系统互连技术正是其 中的佼佼者，它最适合用于高性能嵌入式系统内部互连。 r a p i d l o 属于系统内部互连技术，是一种新型高性能、低引脚数、结构灵活、 基于报文交换的点对点互连体系结构，广泛应用在连接多处理器、存储器阵列、 d s p 阵列、网络设备中的存储器映射i o 器件、以及通用计算平台。而4 x 模式 的串行r a p i d l o ，简称s r i o ( s e r i a lr a p i d l o ) ，是本论文的研究重点。s r l 0 1 3 协议的物理层支持1 2 5 g h z 、2 5 g h z 、3 1 2 5 g h z 三种信号速率，持续的全双工 数据带宽范围最高可达到4 g b p s 到1 8g b p s 。 本文在深入研究了串行r a p i d l 0 1 3 互连协议三层体系结构中逻辑层和传输 层的基础上，对这两层的功能做了一些改进。并且着重对逻辑层和传输层进行 了f p g a , ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 逻辑设计，包括实现多种事务请求包 和响应包的封装和解析、各层之间的接口时序转换、多通道轮询调度，以及各 层内部寄存器维护等功能。然后搭建了t c l 自动化功能仿真平台和上板f p g a 验证平台，对逻辑实现的v e r i l o g 代码进行r t l 级仿真和上板验证。最后根据 功能仿真时序波形图和实际上板所测结果分析，该逻辑层和传输层的逻辑设计 在灵活性、可靠性、可扩展性方面都有非常良好的表现，完全可以封装为成熟 的r a p i d i o 软核嵌入到各种通信和网络系统之中。 关键词： 系统互连，串行r a p i d l o ，逻辑层和传输层，f p g a ，r t l 仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t d u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o n sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , v a r i o u se m b e d d e ds y s t e m sh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt r a n s f e rr a t eo fd a t ai n d e v i c e t r a d i t i o n a lh i e r a r c h i c a ls h a r e db u sa r c h i t e c t u r eh a sa l r e a d yc o m et oi t s e x t r e m ep e r f o r m a n c e ，a n dt h et e c h n i c a la s p e c t so fi n t e r c o n n e c t i o nh a sb e c o m ea s e r i o u sp r o b l e ml i m i t i n gt h ei m p r o v e m e n to fe m b e d d e dp e r f o r m a n c e f a c i n gt h e s e c h a l l e n g e s , s o m eh i g hp e r f o r m a n c ei n t e r c o n n e c tb u ss t r u c t u r e s ，b a s e do np o i n tt 0 p o i n ta n de x c h a n g ef u n c t i o n , c o m ei n t ob e i n g a n dr a p i d l os y s t e mi n t e r c o n n e c t t e c h n o l o g yi st h et o po n e r a p i d l oi sat e c h n o l o g yw i t h i nt h es y s t e mi n t e r c o n n e c t i ti sp o i n tt op o i n t i n t e r c o n n e c ta r c h i t e c t u r ew i t hn e wh i g h - p e r f o r m a n c e ，l o wp i nc o u n t , s t r u c t u r a l f l e x i b i l i t y a n db a s e do n p a c k e ts w i t c h i n g , a n d i s w i d e l yu s e d t oc o n n e c t m u l t i - p r o c e s s o r , m e m o r ya r r a y , d s pa r r a y , n e t w o r k d e v i c e si nt h em e m o r y - m a p p e d i od e v i c e sa n du n i v e r s a lc o m p u t i n gp l a t f o r m t h e n4 xm o d es r i o ( s e r i a lr a p i d l o ) w h i c hs u p p o r t st h r e eb a u di n c l u d i n g1 2 5 g h z 、2 5 g h z 、3 1 2 5 g h za n dp e r s i s t e n t f u l l - d u p l e xd a t ab a n d w i d t h f r o m4 g b p st 0 1 8g b p s ，i si m p o r t a n tp o i n to ft h i sp a p e r s t h i sp a p e rh a ss i m p l i f i e dt h ef u n c t i o no fl o g i ca n dt r a n s p o r tl a y e r , b a s e do n i n - d e p t hs t u d yf o rs e r i a lr a p i d l oi n t e r c o n n e c t ；南t o c o lt h r e e t i e ra r c h i t e c t u r es u c h 勰l o g i cl a y e r , t r a n s p o r tl a y e r t h ek e yr e s e a r c hi sf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ) l o g i cd e s i g nf o rl o g i ca n dt r a n s p o r tl a y e ri n c l u d i n gt h ef u n c t i o n ss u c h a sa c c o m p l i s h i n ge n c a p s u l a t i o na n da n a l y s i sf o rav a r i e t yo fs e r v i c e sr e q u e s tp a c k e t s a n dr e s p o n s ep a c k e t s , i n t e r f a c es e q u e n c ec h a n g eo fe a c hl a y e r , t h ef a i rp o l l i n gf o r m u l t i p l yc h a n n e l sa n dm a i n t e n a n c eo fe a c hl a y e r sr e g i s t e r s v e r i l o gp r o g r a mo ft h e d e s i g nh a sb e e no f f e r e dt or t l s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o nb yb u i l d i n gt c l p l a t f o r m o fa u t o m a t e df u n c t i o n a ls i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n tb a s e do nf p g a f i n a l l y , a n a l y z i n gf r o mt i m i n gs i m u l a t i o nw a v e f o r ma n dm e a s u r e dr e s u l t s f r o m v e r i f i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，l o g i cd e s i g no ft h i sl o g i ca n dt r a n s p o r tl a y e r sa l lh a v eg o o d p e r f o r m a n c eo nf l e x i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , a n dc a l lb ep a c k e dt ob ea m a t u r er a p i d i os o f tc o r et ob ee m b e d d e di n t oe v e r yc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k s y s t e m k e yw o r d s ：s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，s e r i a lr a p i d i o ，l o g i ca n dt r a n s f e rl a y e r , f p g a , r t ls i m u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密影使用本授权书。 学位论文作者签名：昊多指导别程辄 哆k 哆 锈坼乏 z 尹z 哆 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 1 ) 在深入分析r a p i d l 0 1 3 协议的基础上，对协议所规定的逻辑层和传输 层做了一些改进，并设计出一种简化的逻辑层和传输层逻辑架构实现方案。 2 ) 按照f p g a 逻辑开发流程，开发出具有自主知识产权的4 x 模式串行 r a p id i o 逻辑层和传输层i p 软核。 学位论文作者签名： 笑易 彤仁哆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 近几年来，嵌入式系统经历了前所未有的快速发展，相应的产品不断涌现， 极大的方便了我们的生活。随着通信和网络技术的飞速发展，各种嵌入式系 统都对设备内部的数据传输速率提出了更高的要求。然而当前的嵌入式系统 发展已经受到了双重因素的制约。一方面，系统的性能要求以指数级提高； 另一方面，系统的开销要求不断地降低。传统上的嵌入式系统互连结构是通 过分级共享总线实现的，常用总线有v m e 、c p c i 、p c i 等；但在这类结构中所 有通信争用总线带宽，由此造成外设越多，可用带宽就越少，而且大量的引 脚数目也带来了一定的电气特性和机械特性等问题。由此可见传统的分级多 总线结构已达到了极限性能，互连技术问题已经成为制约嵌入式系统整体性 能提高的瓶颈。总线互连技术的发展过程如图1 - 1 所示。 交换结构 图1 - 1 总线互连技术的发展过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在这样的背景下，就需要一种可升级的新型高性能系统体系结构，于是 设计人员采用了点对点交换式总线来设计系统的互连架构，设计出不少高带 宽、低延迟、高可靠性的新兴互联技术，如p c i e x p r e s s 、i n f i n i b a n d 、 h y p e r t a n s p o r t 、r a p i d l o 等新型总线，它们代表了新型总线发展方向，但它们 在应用领域方面既有交叉又各有侧重。 在这些众多的新型总线互连技术当中，r a p i d l o 是针对嵌入式系统的独 特互连需求而提出的，嵌入式系统需要的是一种标准化的互连设计，要满足 几个基本特点，包括高效率、低系统成本、点对点或是点对多点的通信；支 持d m a 操作；支持消息传递模式交换数据；支持分散处理和多主控系统；支 持多种拓朴结构；o o s 和高稳定性等。而这些恰恰都是r a p i d l o 所致力于发展 的方向。为此r a p i d l o 在制定之初即确定了以下几个基本原则：一是轻量型 的简单传输协议：二是清晰的体系结构，软件开销低；三是专注于板间及芯 片间互连。 本文正是选择了串行r a p i d l o ( s r i o ) 这一针对高性能嵌入式系统内部互 连而设计的高速总线，进行了深入研究，并主要针对s r l 0 1 3 协议的逻辑层 和传输层进行了逻辑设计与实现，最后通过实际上板测试对其出色的数据交 换性能进行了验证。 1 2r a p i d i o 技术发展现状 1 2 1 国外发展现状 r a p i d i o 技术最早是由美国m e r c u r y c o m p u t e r s y s t e m s 公司，即美国水星 计算机系统公司为它的计算密集型信号处理系统自行开发的总线技术。 r a p i d l o 是一种分组交换结构，最初开发它的目的是用来连接线路板上的芯片 和连接机箱内的线路板。r a p i d i o 采用包交换技术，在网络处理器( n p u ) 、 中央处理器( c p u ) 和数字信号处理器( d s p ) 之间的通信具有高速、低延迟、 稳定可靠的互连性，后来被m o t o r o l a 公司以及其它一些半导体公司所采用。 为了满足网络和通信设备、企业存储数据库、以及其它高性能的嵌入式 市场需求，于1 9 9 9 年制定了第一个r a p i d l 0 1 0 标准。2 0 0 0 年2 月，r a p i d i o 行业协会正式成立。由a m c c 、e m c 、爱立信、飞思卡尔半导体、阿尔卡特 朗讯、德州仪器以及t u n d r a 组成指导委员会对r a p i d l o 行业协会进行管理， 并于同年的6 月召开了第一次常例会。在随后的两年间，先后发布了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 r a p i d l 0 1 1 和r a p i d l 0 1 2 协议版本，完成了对r a p i d l o 来说具有历史意义的 串行物理层协议的制订。2 0 0 3 年5 月，m e r c u r yc o m p u t e rs y s t e m s 公司首次推 出使用r a p i d i o 技术的多处理器系统i m p a c t r t3 1 0 0 ，表明r a p i d l o 已由一个 标准制定阶段进展到产品阶段。 2 0 0 3 年1 0 月，国际标准组织和国际电工委员会( 1 e c ) 一致通过了r a p i d l o 互连规范，即i s o i e cd i s1 8 3 7 2 。这使得r a p i d l o ( i s o ) 成为唯一在互连技术 方面得到授权的体系。 历经多年的发展，r a p i d l o 逐步加强其在高速互连上的使用能力。在2 0 0 4 年8 月，r a p i d l o 行业协会发布了r a p i d l of a b r i c 新规格，其特色在于支持多 点传播( m u l t i c a s t ) 和数据串流的新功能。这为基于r a p i d l o 的处理系统实现 数据的分布式处理奠定了基础。 2 0 0 5 年6 月，随着r a p i d l 0 1 3 协议版本的发布，r a p i d i o 技术逐步进入 到了成熟应用阶段。在随后的一段时间内，各大嵌入式芯片厂商相继推出了 各自基于r a p i d l 0 1 3 协议版本的芯片产品，并在市场上得到了很好的推广。 最新的规范r a p i d l 0 2 0 版本做了两个重大的更新：新的高性能物理层和 数据平面的性能增强，并采用当前最新的s e r d e s 技术，提供更大的数据传输 速率。提供1 x 、2 x 、4 x 、8 x 和1 6 x 链路，传输速率为1 2 5 、2 5 、3 1 2 5 、5 0 和6 2 5 g b a u d ，在电气层支持热插拔，并新添了控制符号和空闲模式的的新功 能。规范2 o 在数据平面定义了新的数据流包格式，串行物理层上增加了虚拟 通道，新添端点流量控制仲裁规范1 传输管理规范和虚拟输出队列规范。 r a p i d i o 已有超过1 0 年的历史，仍然生机勃勃，它还在继续为开发人员提 供高速、先进的通讯技术，可对许多集成电路、板卡、背板及计算机系统供 应商提供支持。目前支持r a p i d l o 标准的厂商有：m e r c u r yc o m p u t e rs y s t e m s 、 f r e e s c a l es e m i c o n d u c t o r 、l u c e n t a l c a t e l 、p m c s i e r r a 、t e x a s i n s t r u m e n t s 、t u n d r as e m i c o n d u c t o r 、w i n d r i v e r 、a m c c 、c u r t is s w r i g h t c o n t r o l s 、g ef a n u c 等，这些供应商分布在微处理器、数字信号处理器、 现场可编程门阵列、专用集成电路和嵌入式存储器方面。这也就是说世界上 几乎所有的嵌入式主流厂商都已经支持r a p i d l 0 技术。 就国外来说，世界各大半导体公司都陆续推出了基于r a p i d l o 技术相关产 品，基于r a p i d l 0 通信体系架构技术的系统例如a t c a 、v l t a 系列、c p c i 等系统 已在电信、国防、医疗等行业大量使用。以德州仪器( t i ) 为例，t i2 0 0 1 年 加入该组织，2 0 0 3 年成为领导委员会成员。2 0 0 5 年底，t i 推出第一个集成s r i o 的d s p ，后来又陆续推出共5 款支持s r l 0 的d s p ，这使得r a p i d i o 的应用全面启 动。其他公司如i d t 公司，也于2 0 0 7 年底也推出可满足采用d s p 、f p g a 、以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 处理器等嵌入式应用互连需求的串行r a p i d l 0 交换器。到目前为止，开发人员 有1 0 0 多种基 于r a p i d i o 的产品可供选择，这些产品涵盖了各种开发工具、嵌入式系统、 i p 、软件、测试与测量设备及半导体( a s i c 、d s p 、f p g a ) 等。 1 2 2 国内发展现状 与国外r a p i d l 0 蓬勃发展的景象相比，国内对r a p i d l o 互连技术的研究 与应用还处于起步阶段。目前，只有少数科研机构和公司使用了该项技术， 而且国内还没有厂家自行研发出基于r a p i d l 0 技术的i p 核，很多公司都是购 买国外先进厂商i p 核来进行二次开发，这样开发出的产品成本高且竞争力弱， 所以研发出具有自主产权的r a p i d l 0i p 核迫在眉睫，不但会大大降低后续开 发成本，而且会在很大程度上提高国内公司产品的市场竞争力。 作为一种新兴的高速互连协议，r a p i d l o 凭借其在解决高性能嵌入式系统 在内部互连以及可靠性挑战方面的卓越表现，以及其所具有的低延迟性、极 高带宽、极低引脚数和软件的透明性等突出优点，已经越来越受到国内相关 领域专家的重视。自主研发并掌握r a p i d l o 互连技术对我国在嵌入式系统内 部高速互连技术方面的快速发展具有积极推动作用。 1 3 本论文组织结构 本论文主要针对串行r a p i d l 0 1 3 嵌入式系统互连协议进行仔细分析，并 设计出一种优化方案来实现s r i o 协议的三层中的逻辑层和传输层，并对该逻 辑设计方案做了功能仿真和实际上板环境的测试。 本论文主要包含以下内容： ( 一) r a p i d l 0 1 3 互连协议的分析。r a p i d i o 由e p ( e n dp o i n tp r o c e s s i n g e l e m e n t s ) 处理单元和交换处理单元( s w i t c hp r o c e s s i n ge l e m e n t s ) 组成。采用三 层分级体系结构，分别为：逻辑层、传输层、物理层。逻辑层定义了e p 之间 相互通信所需要的操作和关联的事务。传输层定义了事务通过交换处理单元 在e p 之间传递的路径如何产生。物理层定义了相邻的处理单元之间通过何种 电气标准进行互连。这种分层结构，在保证后向兼容的同时提供了可扩展性 和未来增强的可能性。本文着重对r a p i d l o 三层结构中的逻辑层和传输层进 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 行深入分析。 ( 二) s r i o 逻辑层和传输层协议的逻辑实现。在充分理解串行r a p i d l o 协 议的逻辑层和传输层功能的基础上，对这两层进行了一些改进。设计出一种 优化的4 x 模式s r i o 逻辑层和传输层的逻辑架构实现方案，本文采用大量的 处理流程图、状态机原理图、时序波形图及其相应的功能描述，对该架构中 各个子模块的设计进行了详细说明，易于读者理解作者的设计思路。 ( 三) 仿真验证和上板调试。本论文严格按照f p g a 逻辑设计的开发流程 进行设计工作，运用v e r i l o g 硬件描述语言编码，并搭建自动化测试平台进行 功能仿真，最后在实际应用环境中进行了上板调试，保证了串行r a p i d i o 逻 辑层和传输层的性能。 ( 四) 总结和展望。本文最后总结了在该论文设计过程中的经验教训，明 确了今后将要研究的方向，以及对r a p i d l o 高速互连技术的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章r a p id10 互连协议介绍 作为一种新型高性能、低引脚数、高稳定性、基于报文交换的互连体系结 构，r a p i d l 0 是为满足现在和未来高性能嵌入式系统需求而设计的一种开放式互 连技术标准，能广泛满足嵌入式系统应用的需求。同时其串并两种互连形式具 有相同的编程模式、事务和寻址机制。支持的编程模式包括存储器映射的i 0 事务、消息传递和分布式全局共享存储系统。支持点对点或是点对多点的通信， 具有很强的错误处理和恢复功能。 2 1 规范体系结构 r a p i d i o 互连技术提供了丰富的特征和分层的结构，使得广泛的系统应用成 为可能。一般r a p i d l o 系统由端口处理单元和交换处理单元组成，其互联体系 按照三层结构分层，如图2 - 1 所示，分别为：逻辑层、传输层、物理层。 一传输层 ；规范 l 一+ + 一 物理层 规范 图2 - 1r a p i d l o 规范层次结构 逻辑层规范在位于最高层，定义了接口的全部协议和包的格式，它们为端 点器件发起和完成事务提供必要的信息。传输层规范在中问层，定义r a p i d l o 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 地址空间和数据在端点器件问传输包所需要的路由信息，使包可以从一个结点 传输到另一个结点。物理层规范在整个分级结构的底部，包括器件级接口的细 节，如包传输机制、流量控制、电气特性和低级错误管理。 三层体系结构使得在任意层增加新的事务类型而无需更改其他层规范。例 如，可增加新的逻辑层规范，新规范定义的事务将向后兼容的方式通过现有的 r a p i d i o 网络。分层的方式防止了产品落伍，能在将来对产品进一步增强扩展， 具有与上一代产品向前兼容的能力。 2 2 包与控制符号 r a p i d l o 的包是系统中端点器件间的基本通信单元，每一次操作都是基于请 求和响应事务包来完成的。包是系统中端点器件间的基本通信单元。发起器件 或主控器件产生一个请求事务，该事务发送至目标器件。目标器件于是产生一 个响应事务返回至发起器件来完成该次操作。r a p i d l o 事务被封装在包中，而 包则包含确保将事务可靠传送至目标端点的所有必须的位字段。通常多个 r a p i d l o 端点是通过介于其间的交换结构相互连接。交换结构指的是提供系统 互连的单个或多个咬换器件的集合。控制符号用于管理r a p i d o 物理层互连的 事务流，也用于包确认、流量控制信息和维护功能。图显示了如何在r a p i d l o 系 统中传送事务 发起器件 f老彗婺笔、 _ 一发送请求包 确认l号，h m - jt - 【 发起操作 ji “。”叮、。 硅t 1 x 佚两俐 确认符号转发响应包 工上 转发请求包确认符号 h 协衙r r 确认符号发出响戍包 一厂一可铩莉r 一l完成操作j 图2 - 2r a p i d l o 的传输流程 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在该示例中，系统中的发起器件通过产生一个请求事务开始一次操作。该 请求包被传送至交换结构器件，通常是个交换机，交换结构器件发出控制符 号确认收到了该请求包，然后交换结构将该包转发至目标器件。这就完成了此 次操作的请求阶段。目标器件完成要求的操作，产生响应事务。通过交换结构 将承载该事务的响应包传送回发起器件，传送时使用控制符号对每一跳进行确 认。一旦响应包到达发起器件并得到确认，就可认为此次操作已经完成。 2 3 包格式定义 逻辑、传输、物理层协议规范结构的多个字段都全部包含在了r a p i d l o 的 包格式中，图2 3 定义了r a p i d l o 协议的请求包格式，图2 4 定义的是协议的响 应包。但是具体设计中可以灵活定义这两种包，并不一定非得按照协议上的来 定义，当然前提条件是处在网络中的每个r a p i d l o 器件都遵守同一种包格式的 定义，以避免出现请求和响应包无法解析的情况。在本设计中请求包和响应包 就做了相应的改变。 图2 3 协议所规定的请求包格式 图“协议所规定的响应包格式 请求包和响应包都含有三层的相应字段，并都以物理层字段开始定义。两 种包的f t y p e 和事务类型字段不相同，分别指示正被请求或响应的事务类型。 而且请求包中含有读写长度字段，该字段是由协议编码表获得，并不能直接表 示读写的真实长度。在同样的位置上响应包定义的则是状态字段，用来指示是 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 否成功完成了事务传输。请求包目标t i d 字段的值与请求包中源事务i d 字段值 相等。s 位指示这是一个包还是一个控制符号。a c k l d 表明交换结构器件将使 用控制符号去确认的是哪一个包。流量控制的包优先级别在p r i o 字段中定义。 t r 定义目的m 和源d 字段的位宽，目标地址和源地址字段指示传输地址的机制 类型、包被送到的器件的地址和产生包的器件的地址。r a p i d l o 事务数据的有效 载荷长度从1 到2 5 6 字节不等。8 位s r c t i d 字段指示源器件事务i d ，用来惟一 标识发给接收者的事务，8 字段支持在任何源和目的对之间同时处理最多2 5 6 个事务。在s r c t i d 后面的是器件偏移地址字段。1 6 位循环冗余校验码放在最后。 具体各字段定义将会在下面介绍各种类型事务包时在做详细说明。 2 4r a p i d l 0 各层协议 2 4 1r a pidt0 逻辑层 逻辑层定义了多种规范，包括i o 逻辑操作规范、消息传递规范、共享存 储规范、流量控制规范以及数据流规范。同时接口的全部协议和包格式都被定 义在逻辑层之中。由于本文的逻辑设计主要是针对i o 逻辑操作规范、消息传 递规范中的门铃操作、以及流量控制规范这三种，所以下面重点介绍这三种操 作规范，为后面的逻辑设计奠定良好的理论基础。 2 4 1 1i 0 逻辑操作 i o 操作支持r a p i d i o 存储空间的基本读写，可以通过使用请求和响应事务 对来完成。请求和响应事务对通过r a p i d i o 交换结构传输，传输过程中交换结 构不跟踪事务，表明请求事务和与之对应的响应事务间没有明确的关系。虽然 系统中可能存在多个中间交换器件和由此引起的多次包转发，但是从逻辑层的 角度来说，请求事务和响应事务只有一个，并不是成对出现。表2 1 给出了这6 种基本的i o 操作事务的名称和功能描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表2 - 1i o 逻辑操作定义表 下面分别介绍除原子( 读修改写) 之外的其他5 种操作，最后对响应事务 包和数据对齐的概念做简单描述。 ( 1 ) 读操作： 读操作由一个n r e a d 事务和一个r e s p o n s e 事务( 典型如d o n e 响应) 组成。假设处理器要通过r a p i d l o 互连结构读取外设的内存映射寄存器的内容。 为完成这一操作1 ( 如图2 5 所示) ，处理器要产生一个n r e a d 事务，并把它发 给外设。外设取出寄存器中的数据并将其作为r e s p o n s e 事务发回给处理器的 有效数据载荷。 图2 - 5 读操作过程 第2 类事务包n r e a d 是一个读请求事务。器件使用该事务请求得到另一 器件上某内存区域中的内容。请求读取的内容长度在1 到2 5 6 字节之间。图2 - 6 给出了第2 类包的所有字段。f r y p e 指示事务的格式类型，第2 类包对应的 f t y p e 字段值为2 。事务的具体类型有1 1 p e 字段决定。f t y p e 和1 1 p e 的 组合唯一地标示了操作。r d s i z e 字段结合a d d r e s s 字段、w d p t r 字段和x a d d 字段指出了所要读取数据的位置、大小和对齐方式。表2 2 为包的全字段给出 了定义说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 6 8 6 76 66 46 35 95 8 5 7 5 65 55 5 3s 25 l 4 84 7 3 23 l1 61 51 21 l8 70 缱6 7 6 6 6 46 3 3 5 3 43 3 3 2 3 l 0 图2 - 6 第2 类事务包格式 表2 - 2 包的全字段定义表 d e s t i n a t i o ni d 目的器件i d s o u r c ei d 源器件l d r d s i z e 读事务的数据长度的编码结果，没有直接表明所读内容的长度。当数据少 于8 字节时，r d s i z e 是数据对齐的编码结果，大于8 字节的数据块的长度 被视为8 字节的整数倍并对齐到8 字节边界。结合w d p t r 字段共同规定数 据块长：度。 w r s l z e 多个双字组成的写事务的最大数据载荷，编码方式与r d s i z e 结合w d p t r 的 一样。 s r c t l d 源器件事务i d ( 8 位字段) ，用来惟一标识发给接收者的事务，8 字段支持 在任何源和目的对之间同时处理最多2 5 6 个事务 w d p t r字指针字段，用于辨别双字对齐的数据字段中的哪个字是目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ( 2 ) 写操作： 第5 类包格式支持写( n w r i t e ) 、带响应写( n w r i t e r ) 和a t m o i c ( - i , 卖 一修改写) 操作，分别见图2 7 ，2 8 ，2 - 9 所示。 n w r i t e ，d a t a 图2 7 写操作 n w r i t e _ i t d a t a 望型兰：! 图2 - 8 带响应的写操作 a t o m i c ，d a t a ( o p t ) ( g ) d o n e , d a t a 图2 - 9 读修改写操作 第5 类事务包( 如图2 1 0 ) 总是包含一个数据载荷。由等于或小于一个双 字的数据组成的数据载荷带有长度信息。w r s i z e 字段规定了多个双字组成的 事务的最大数据载荷。w r s i z e 和w d p t r 字段用来规定数据载荷的长度。它 们的编码方式与规定了读操作数据长度的r d s i z e 和w d p t r 字段的编码方式 一样。除数据载荷外，第5 类写事务包字段在本质上与第2 类读请求事务相同。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 6 86 7 6 66 46 35 95 85 75 65 55 45 35 25 1 4 84 7 3 23 l1 6 1 51 2l ls7 0 6 56 7 6 66 46 33 53 43 23 l0 6 86 76 6 “6 3 3 23 l 0 图2 1 0 第5 类事务包格式 ( 3 ) 流写操作 s w r l t e 属于第6 类事务，相比于n w r i t e 事务只有些轻微的变化。 s w r i t e 事务的数据载荷长度在8 到2 5 6 字节之间，数据必须按双字对齐。 s w r i t e 与响应包类似，没有数据大小字段，长度为双字的整数倍，数据字段 在x a d d 字段之后，接收者通过寻找包尾确定字段长度。 图2 n 显示了s w r i t e 事务的格式，从中可以发现包的开销减少了，总共 仅为l o 字节，相对于2 5 6 字节的有效数据载荷来说，开销不到数据载荷的5 ， 这样使r a p i d l o 能够提供更加高效的数据迁移。 6 56 76 66 46 35 95 s5 75 65 55 45 35 25 14 94 73 23 l1 61 51 2l ll70 6 56 7 6 66 46 35 14 94 s 4 70 图2 - 1 1 第6 类事务的格式 ( 4 ) 维护操作 第8 类事务包为维护包用于访问r a p i d l o 的能力寄存器( c a r ) 、状态寄存 器( c s r ) 以及数据结构。与其它事务不同，维护操作的请求和响应包格式都 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 是第8 类包格式( 见图2 1 2 ) 。第8 类包格式不含地址字段，只含写请求和读响 应的数据载荷。表2 3 为了维护事务字段的定义。所有读配置寄存器的操作长 度是4 字节，也可以是8 字节或双字的整数倍长，但长度最多不能超过6 4 字节。 表2 - 3 维护事务字段定义表 w r s i z e 字段规定了多双字事务载荷的最大长度。数据载荷的长度不能超 过这个最大长度，但可以比最大长度小。维护读和维护写请求都会有维护响应。 6 86 7 6 6 6 46 35 95 85 75 65 55 45 35 25 l4 84 73 2 3 i 1 61 51 2l i s7 0 6 86 7 6 66 46 33 23 10 6 36 76 6 6 46 33 23 1 0 图2 - 1 2 第8 类事务包格式 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 ( 5 ) 数据对齐 在r a p i d l o 系统中将所有事务都对齐到了双字边界，这样简化了系统中对 数据的寻址。r a p i d l o 所发送的数据载荷范围从1 字节到2 5 6 字节。若正在被发 送的数据不以双字边界开始或结束，就用特殊掩码来说明有效数据在字节中的 位置。r a p i d l o 系统不支持子字节数据，为此系统定义了多个数据载长度和双字 对齐。 字嚣警留字葛警嚣字靠警嚣字嚣字蕾 疆进搴疆邀i运遵2麓避，置避4疆j 苎s谴j 苎避i 蕴 气i i k - _ 。- - 、_ - - 一_ ， j 一 l s 聃 囊个事务筏遥远_ ： 拿 对卉烈疆宇豹字节 第二二十寮秀震这选s 个 蠼譬 筇兰千事抒发这这s 十 对寿髫疆7 鲍譬节 图2 1 3 数据对齐示例 图2 1 3 所示为4 8 字节的数据流的对齐示例。要发送的数据位图中的阴影 部分。由于该数据流的开始和结束没有自然地对齐到双字边界，那么对齐操作 就可能要求将这组数据流分成多个独立的事务，具体分成了三个事务。 第一个事务发送在第5 、6 、7 字节通道的前三个字节，同时要指示这三个 字节通道操作类型。第二个事务发送除最后一行五个字节外所有余下的4 0 个字 节的数据。第三个事务分别发送在0 、1 、2 、3 、4 字节通道中最后的5 个字节 并指示这五字节的操作类型。 ( 6 ) 响应事务包 当r a p i d i o 端点接收到由另一个r a p i d l o 端点发起的请求时，该端点就会 发送一个响应事务。响应事务总是以与请求事务相同的方式被发送和路由。第 1 2 、1 3 、1 4 和1 5 类包是响应类事务。通常第1 2 和1 4 类包是保留的，第1 5 类 包由具体应用定义。因此第1 3 类包是主要的响应事务。 第1 3 类事务会向请求方返回状态、数据和请求者的事务i d 。如果返回的 是“e r r o r 状态或没有预期数据的r e s p o n e s e 响应包，则响应包中是不含 有数据载荷的。第1 3 类事务用来响应除维护和无响应写之外的所有请求包。维 护请求对应单独的维护响应包。图2 1 4 ，2 1 5 分别表明了第1 3 类不带数据载荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 和带数据载荷包的格式和字段。 6 86 76 66 46 3 5 95 85 7 5 65 55 45 3 5 25 l 4 84 73 23 l1 61 51 2l l870 图2 - 1 4 第1 3 类事务包格式( 不带数据载荷t t y p e = 0 ) 醴 6 76 6 6 46 3 5 9s 8s 75 6s 55 4s 3s 25 l4 s 4 73 23 l 1 61 s 1 2l ls 7 o 憾6 - 6 66 4b 3o l 酬e o p 黜l d a t a 6 3 ：o l l 图2 - 1 5 第1 3 类事务包格式( 带数据载荷t t y p e = 8 ) 表2 4 给出了所有响应包的字段定义和编码。响应包格式中咖e 表明正 在发送的响应事务的类型。目标t i d 与请求包的源 r i d 相同。s t a t u s 中d o n e 表明请求事务已经完成，e r r o r 意味着遇到不可修复的错误不能完成事务。响 应包中没有用于指定数据大小的字段，需要根据包尾符判定包尾。包尾符是物 理层的一部分。数据字段最大为2 5 6 字节，最小为8 字节。 表2 4 响应包字段的定义和编码 2 4 1 2 门铃操作 第1 0 类事务包用来发送的1 6 位事务信息被称为门铃( d o o r b e l l ) 事务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 门铃事务很适合发送处理器间的中断。门铃事务没有数据载荷其操作流程如图 2 1 5 门铃事务和r e s p o n s e 事务组成。门铃事务将1 6 位的事务信息字段传递 给目标处理器件信息字段是由软件定义的，可以用于任何目的。收n f l 铃事务 的处理部件将包放进处理部件中的门铃消息队列。本地处理器通过读取门铃消 息队列判断发送门铃消息的部件和信息字段，并根据该信息决定相应的操作。 d o o b e l l 望竺 图2 1 6 第1 0 类门铃事务操作流程图 图2 1 6 铃消息事务的包格式。其中包含8 位保留字段、源事务d 和1 6 位 的信息。 鹃6 7 晰6 46 35 95 s5 75 6 5 55 45 3 5 25 l矩4 73 23 11 6 1 5s 70 6 8 6 76 6 6 46 348 4 70 图2 1 7 第1 0 类事务包格式( d o o r b e l l ) 这种包可以用来向处理器传递终端信息。在这种情况下，信息字段用来向 接收者传送中断级别和目标信息。这种包还可用于在处理器件之间发送信号量。 2 4 1 3 流量控制操作 在任何互连技术中，流量控制都是一项重要内容。流量控制指在任意时间 互连技术采用的某些规则和机制，根据这些规则和机制决定任意时间从可能获 得的若干事务中选择哪一事务进行