vp总线及产品介绍

VPX总线及产品介绍1 VPX系统技术特点本系统基于当前最新的高速串行总线：VPX总线，结合PowerPC处理器强大的信号处理与协同运算功能，组建高性能并行计算平台。VPX总线系统包括：VPX信号处理板（VPX-460）,VPX单板计算机（VPX-SIC1100）,5槽VPX机箱。本系统的计算引擎由一块VPX单板计算机与一块VPX信号处理板组成，包含4个PowerPC 8641D处理器，1个PowerPC 8640D处理器，每个处理器含2个e600核，这样由10颗处理器核共同构成并行计算平台。8641D处理器的e600内核和Altivec单元基于7448处理器设计，提供1MB的2级缓存。用户现有的C，汇编和Altivec代码不需要任何修改就可以运行。 1GHz双核版本的8641D可以提供高达16GFLOPS的计算能力。本系统包含5个PowerPC 处理器，系统峰值运算能力可以达到80GFlops。 VPX系统采用Vxworks嵌入式实时操作系统，任务管理与调度时间可以控制到毫秒甚至微妙级，这从根本上保证了系统的实时处理。2 VPX总线介绍本系统采用的VPX总线，是高速串行总线技术的最新标准，代表了目前总线技术的发展方向。2.1 应用串行总线的必要性PCI/CPCI和VME是当前应用最为广泛的工业总线标准，这两种总线都属于并行总线，其主要特点为：采用多条信号线分别传输数据、地址及控制信号；统一总线段上所有设备分时共享总线带宽。此种并行传输技术曾经是提高数据传输率的主要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达。另外，提升时钟频率还容易引起 信号线间的相互干扰，导致传输错误。因此，并行传输方式难以实现高速化。第三，从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致PCB板上的布线数目与PCB层数随之增加，成本随之攀升。基于以上因素，近几年串行传输技术引起各界的高度重视，许多国际组织相继制定了多种串行总线标准并且有相应产品面世。下图形象的表示了总线技术的发展历程，及各种总线的带宽性能：图1：总线技术的发展历程从图1中可以看出，VPX总线代表串行总线的最高水平，以下简要介绍这种总线技术。2.2 VPX总线简介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。它增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。VPX总线采用高速串行总线替代并行总线是其最主要变化。VPX支持RapidIO、PCI E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250MBytes/sec的数据传输率，1个信道最高1 GBytes/sec的理论速率。VPX的核心交换提供32个差分对，组成4个4的信道端口，每个信道都是双向的（一发送差分对儿，一接收差分儿）。VPX总线的理论合计带宽为8 GB/sec。VPX接插件VPX采用了由Tyco公司开发的MultiGig RT2连接器，如下图所示：图2：VPX模块用 MultiGig 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，与级联块和定位键一起，实现VITA 46模块和背板配合。VITA 46选择RT2连接器，成功解决了以下问题：? 连接器可以发送信号至少5 Gbits/sec? 连接器提供充足的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。? 连接器足够牢固，这样在军事/航空系统的恶劣环境中才能应用。VPX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。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? 湿度? 沙尘? 静电保护VPX的I/O能力VPX拥有着更多的I/O能力，其数量几乎是VME64X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；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）。下图表示了标准6U VPX模块提供的信号分布： 图3：6U VPX模块 I/O信号分布VPX的电源改进VPX改进了电源供电，连接器P0被设计为功能连接器。功能连接器连接电源，维护总线，和测试总线。P0连接器允许以下几种电源：48 V 16 A 或者12 V 32 A，作为高功耗卡的主电源； 5 V 16 A 作为低功耗卡的主电源+12 V 2 A 作为模拟以及PMC电压?12 V 2 A作为模拟和PMC电压3.3 V 2 A作为辅助电源使用 从上看出，12V最高可达384W，48V最高可达768W。如此大功率的电源，允许VPX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，降低重量和降低电磁兼容问题产生。VPX总线支持的串行传输协议1）Serial Rapid IO协议： 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，自动目标识别等高性能数据传输扮演越来越重要的角色。SRIO有以下技术特点：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链路可以有一个或者四个信道，单方向最高的理论数据速度为1.25Gbytes/s采用消息和门铃方式进行有效的处理器间通信。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支持多处理器对等互连架构，这对构建并行计算平台是非常重要的。2）PCI Express协议：PCI Express协议普遍应用于商用桌面电脑，笔记本及服务器中。尤其近几年，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。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 lane组成。每个lane由一个传输对和一个接收对组成，信号波特率为2.5Gband，理论上数据速率为每信道每方向250Mbytes/s，16信道合计数据速率达4 Gbytes/s。当前PCI Express协议主要应用在VITA 42模块。VITA 42（也称为XMC）是广泛应用在VME和CompactPCI系统中的PMC模块的升级。VITA42通过在PMC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，遵循VITA42.3的子卡可以通过PCIe协议与主卡达到Multi Gigabyte/s的交换速率。XMC规范已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。3）1/10 Gb 以太网协议：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终点都有以太网连接。这种商业领域广泛的应用正在影响军用市场。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。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。2.3 VPX总线典型架构VITA46.0规范推荐的系统拓扑架构如下图所示：图4：5槽VPX背板架构上图为一个5槽 Full Mesh架构的VPX系统，这种结构提供了分布式的网状交换系统，不会出现由于单独路径，或者某个模块的失效而导致系统瘫痪的情况。此外，网状拓扑的优势在于能够开发出更紧凑、占用更小空间的系统，因为不再需要中心交换槽了。图4右方展示4个4信道端口互连各个模块。当每个信道运行在3.125 Gbaud时，每个端口的双向带宽为2.5 Gbps。3. VPX硬件技术参数3.1 VPX信号处理板VPX6-460VPX6-460四PowerPC处理器板把FreeScale公司的最新的Altivec技术处理器和串行交换网络技术有机融合在一起，实现了VITA46标准最新的军用航空、航天标准。基于VPX6-460的多处理器系统的4个串行RapidIO口可以提供双向10GB/sec的带宽。这个速度大约是传统的VME/StarFabric实现方式的10倍。3.1.1 VPX6-460处理器节点VPX6-460包含4个FreeScale PowerPC 8641D处理器。8641D封装了两个e600处理器内核，双DDR2内存控制器，支持ECC校验，1个串行RapidIO（SRIO）接口，1个PCI e接口。8641D处理器的e600内核和Altivec单元基于7448处理器设计的，提供1MB的2级缓存。用户现有的C，汇编和Altivec代码不需要任何修改就可以运行。1GHz双核版本的CHAMP-AV6可以提供高达64GFLOPS的计算能力。3.1.2板载互连架构VPX6-460利用串行RapidIO互联提供高性能的处理器间通信。利用8641本地SRIO接口，使得每个处理器拥有4-lane接口，每个lane同时可以拥有1.25Gbit/sec的传输和2.5Gbit/sec的发送带宽。Tundra TSI578的8口交换桥片可以为供本地交换和背板上VPX核心交换连接器提供交换服务。多个处理板间也可以使用SRIO核心交换接口互联。VPX6-460支持的板载交换功能不需要借助外部扩展卡就可以构建多卡系统。下面的图是VPX6-460的框图：3.1.3 串口VPX6-460提供4个EIA-232串口和2个EIA-422串口，每个处理器拥有1个EIA-232串口，这些串口利用8641 DUART单元。EIA-232串口支持异步通信，每对儿使用1个发送信号和1个接收信号。所有4个串口同时被链接到前面板连接器和背板连接器。其中1个串口拥有DTR信号，该信号自动检测目标机是否链接中端，由此控制主卡的启动顺序。EIA-232串口支持最高115Kbaud。两个处理器节点（A和B）各自拥有1个EIA-422差分串口，该串口也是利用8641 DUART单元。EIA-422串口支持异步通信，每对儿使用1个发送信号和1个接收信号。EIA-422被链接到背板连接器。3.1.4 LVTTL离散数字I/OVPX6-460提供16个通用LVTTL I/O，这些LVTTL被映射到背板。每一位可以通过软件设置成输入，输出或者输入/输出。当所有位被配置成输入时，可以产生中断，中断可以通过软件设置成电平触发或者延触发。电平和跳变方向（例如高到低，或者低到高）都可检测到。3.1.5差分离散数字I/OVPX6-460独立的可以控制两路EIA-422驱动的输出，与EIA-422串行通道类似，该数字I/O拥有独立的串行控制器和寄存器，可以读取EIA-422接收端的状态。总共可以构成两路输入和两路输出。输入端可以配置成产生中断。当配置成离散差分I/O时，驱动和接收端被用作通用差分模式，而非串口模式。3.1.6温度传感器VPX6-460上拥有温度传感器测量板子和处理器的温度。两个传感器位于板子的边缘，此外每个处理器各有一个传感器。使用软件可以读取传感器，可以配置成在到达某个温度后触发一个中断。3.1.7 内存VPX6-460上的每个处理器节点支持256MB1GB的DDR2内存。VPX6-460上的8641处理器支持两个内存控制器，提供峰值6.4GB/s的内存带宽。内存支持错误检验和矫正（ECC）电路，ECC可以检测和纠正所有信号位错误，并且侦测所有双位错误。如此高的带宽将满足数据流应用的需求。3. 1.8 FlashVPX6-460拥有512Mbyte的Flash内存。该内存拥有32-bit宽的接口，可达到120MB/s的峰值传输速率，可减少启动系统和加载程序的时间。硬件跳线可以关闭对Flash的写操作，来保护Flash中的数据免遭破坏。3.1.9板载千兆网交换VPX6-460上的每个处理器节点拥有一个千兆网接口，它由8641处理器中的以太网控制器实现。以太网控制器由于内置了专用的DMA引擎，减小了处理器的负载。支持jumbo封包格式，每个包最高9Kbyte，支持校验和计算，支持IPV6要求的硬件。每个处理器节点使用一个板载 8口的Broadcom 5388交换芯片。交换芯片中两个口连接到背板连接器。板载交换允许网路通过任意一个或者两个外部网络接口访问板子上的所有处理器。CHAMP-AV6可以与外部以太网交换机协同，组建高速网络。或者假如网络流量不大的情况下，多个CHAMP-AV6可以组成链，通过板载交换芯片将数据包发送给相邻的卡。风冷版本的VPX6-460将一个以太网口引导前面板接口，作为标准配置，此外，两个以太网可以链接到背板连接器上。插槽VPX6-460拥有一个XMC插槽，该插槽支持PCIe接口。XMC插槽直接连接到处理器B的PCIe接口。VPX6-460支持8-lane（8x）接口，可以同时提供2Gbit/sec的发送和2Gbit/sec的接收，总共4Gbit/sec的带宽。XMC插槽可以提供传统的PMC I/O，单端XMC I/O和高速差分XMC I/O。PMC Pn4连接器的64位 I/O连接到CHAMP-AV6背板上，此外，XMC Pn6连接器的32位单端用户定义I/O和20对儿差分I/O也被连接到CHAMP-AV6背板上。当使用XMC的差分对儿时，可以支持3.125 Gbps速率。传导制冷版本的VPX6-460遵循IEEE 1386-2001和ANSI/VITA 20传导散热PMC标准。VPX6-460的散热框架为遵循ANSI/VITA-20主和次散热通道的中间模块，提供散热接口。邮箱（mailbox），信号量，定时器工具VPX6-460提供大量工具用具多处理器软件应用。每个处理器拥有邮箱中断结构，该结构允许处理器中断另外一个处理器，并且发送一个32位的值。每个处理器拥有一个32位宽，256深的FIFO。任何处理器可以向任何其他处理器的FIFO写数据，FIFO的访问将触发相关处理器的中断。软件可以使用一个32为值，将中断携带一个消息。数据通道和传递消息分离的设计，将会极大降低处理器间使用中断传送数据的延迟。板子提供了16个硬件信号量寄存器，这些寄存器一般用于多任务间协调硬件资源共享。硬件方案提供了比传统软件/内存技术更快的选择，并且避免使用共享内存访问信号量。VPX6-460利用8641中的定时器资源，提供4个32位定时器，这些定时器可以向任意其他处理器触发中断。统一风格的软件结构VPX6-460支持固件，RTOS板级支持包，通信库和信号处理库等多种软件。统一软件结构是Curtiss-Wright公司定义的一套固件和BSP API标准格式，单板机（VME, cPCI和VPX）和多处理板都采用统一格式的BSP。系统开发人员将会发现，由于Curtiss-Wright定义的统一软件结构，为其所有将来处理产品都提供了统一的软件接口。统一软件结构由以下单元构成：统一固件监视器通过串口和以太网提供命令行接口，允许用户在系统中执行不同程序。监视器提供调试和显示命令，侦测结果显示，Flash内存编程。擦除、通过修改参数控制启动和侦测。内建测试（BIT）支持上电自检的诊断程序库。初始化的BIT，设计错误覆盖率为95%。操作系统软件VPX6-460支持以下操作系统：l Windriver公司的VxWorks 6.x WorkBench 2.x3.2 VPX单板计算机VPX-SIC1100VPX-SIC1100是基于FreeScale Power结构的8640D处理器。结合了串行交换技术，符合新的军事航空VITA-46标准。VPX6-185支持最高4GB的高带宽DDR2 SDRAM内存。支持高性能处理，拥有高达 10Gb/s带宽以及多种功能和I/O接口，满足嵌入式计算的大多数需求。1100拥有各个加固级别版本，它主要针对战斗机、装甲车和恶劣环境海军系统中的数据处理、信号处理的需求设计。VPX-SIC1100将采用标准的0.8英寸插槽，来兼容同一背板上的VME系统。1100还拥有支持VITA48（VPX REDI）格式的版本，该版本针对2级维护LRM需求设计。3.2.1处理器VPX-SIC1100采用 FreeScale PowerPC 8641/8641D处理器。8641封装了一个或者两个e600处理器内核，双DDR2内存控制器，支持ECC校验，1个串行RapidIO（SRIO）接口，1个PCI Express(PCIe)接口，千兆网控制器和串行I/O控制器。3.2.2 DDR2 SDRAMVPX-SIC1100拥有两个独立的DDR2 SDRAM内存控制器，1100拥有可选配置2GB和4GB SDRAM版本。DDR2内存接口运行在533MHz频率下，每个内存bank拥有峰值6.4GB/sec的带宽。为了保护数据完整性，1100提供错误校验和侦测（ECC）电路，来侦测和修改所有单位错误，并侦测所有双位错误。处理器和PCIe、SRIO都可以访问SDRAM。通过修改BSP设置，控制8641处理器的内存管理，可以通过SRIO，本地XMC/PMC设备，远程XMC/PMC设备和VME总线都可以访问内存。3.2.3 FlashVPX-SIC1100可以拥有512MB NOR flash（32位宽）和1 GB的高速NAND flash，内存设备可以进行至少100,000编程擦写，数据在125摄氏度下可以存储20年。优化Flash阵列的读性能可以减小应用的启动时间。对航空任务计算机来说，当电源中断触发后，应用的重启速度是非常重要的。硬件跳线可以禁止写Flash，免于疏忽的擦写、内存损坏（corruption）情况发生，保护Flash内容绝对安全。3.2.4 I/O系统SIC1100采用PCIe/SRIO架构可以提供4个PCIe/SRIO板与板之间的链接，可以达到40Gbps的板间数据传输能力。2个XMC基于x8 PCIe或x4 SRIO，符合VITA42.3/42.2规范。SIC1100提供2个SATA接口，2个USB接口，4个千兆以太网端口，6个串行端口，16个用户I/O接口等,下图显示了185所具有的I/O配置：3.4 VPX机箱5槽VPX机箱VITA46背板采用网状（Mesh）拓扑结构，请参考下图。这种网状拓扑结构允许任意板卡间点对点直接进行通信，不需要交换板。Full Mesh背板网络拓扑结构VPX机箱主要技术参数如下：l 5U高，84HP宽，水平插卡l 支持VITA46和VITA48板卡l 12V DC风扇，排风量150CFMl 100240V AC输入，1300W功率电源l 支持后I/O4.系统软件介绍4.1 IPC处理器间通信库实时传感器系统的通信机制要求能够处理状态，控制以及突发数据传输。对于那些运行在多个处理器上，处理器之间需要进行大量数据传输的应用，Interprocessor Communication（IPC）提供方便的功能满足这些要求。IPC对开发人员隐藏了硬件细节。不管目标任务是运行在同一块板子的其它处理器上，还是运行在不同板子的处理器上。开发人员都可以使用相同的接口和参数进行数据传输。IPC的硬件抽象层可以确保支持当前的PCI-PowerPC平台，也可以很容易的移植到下一代PowerPC处理器和高级交换网络，例如Serial RapidIO,Advanced Switching(ASI) and PCI Express (PCIe).。IPC支持运行时动态路由。这意味着开发人员不需要实现配置路由和路径表。当应用打开一个输入（用于收消息）终端，或输出终端（用于发送消息）时，IPC库为源（Source）和目标（destination）判定位置，并选择路径。IPC在运行时决定源和目地终端的位置，无需中心数据库。由于路由消息存储在每个处理器中，所以中心数据库抽象层可以有效避免单端（single point）失败情况的发生。4.1 IPC功能IPC库提供如下功能l 任务到任务的消息传输l 处理器内存空间到其它处理器内存空间的数据传输l 任何处理器到其它处理器的信号传输（硬件中断）l 动态命名空间管理；通过运行时应用程序名表示消息终端和数据缓冲区消息传输使用POSIX风格的open(), close(), read() 和write()函数，也支持扩展接口，扩展接口提供了更多的消息传输函数。消息传输基于优先级、队列驱动、流控制和和可靠传输机制设计。突发数据传输用于处理器内存之间，传送更大的数据块。应用程序创建一个接收缓冲区，并把缓冲区名，地址和大小发送到网络上，通知其他处理器节点。其他处理器可以使用这个名字打开这个缓冲区来输出数据。写操作触发从源处理器的缓冲区到目标处理器的缓冲区的DMA传输，因为写不需要知道缓冲区的物理地址（只需