高速串行总线RapidIO与PCI+Express协议分析比较.pdf

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1、第4 0 卷第3 期2 0 1 0 年5 月航空计算技术A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i q u eV 0 1 4 0N o 3M a y 2 0 1 0高速串行总线R a p i d l O 与P C IE x p r e s s 协议分析比较梁小虎，王乐，张亚棣(中国航空计算技术研究所，陕西西安7 1 0 0 6 8)摘要：随着新一代嵌入式系统对数据传输能力要求的提高，高速串行总线有着越来越广泛的应用，R a p i d l O 和P C IE x p r e s s(亦称P C I e)是常见的选择。通过对这两种协议在

2、整体工作机制及英特点、分层模型、拓扑结构、服务质量等方面的分析比较，为嵌入式系统设计中高速串行总线的选择提供参考。关键词：高速串行总线；R a p i d l O；P C I E；服务质量；错误管理中图分类号：T P 3 3 6文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 6 5 4 X(2 0 1 0)0 3 0 1 2 7 0 4引言随着嵌入式系统的不断发展，对高性能的要求不断强化，更先进的处理器架构和高速缓存的出现，使处理器的性能得到很大提高，但是，处理器总线频率的增长速度相对于处理器的发展相差很大。处理器速率的增加虽然可以提升系统的数据处理速度，但是却无助于提升处理器与其他芯片或部件的通讯速

3、度，从而成为嵌入式系统性能提高的新的瓶颈。在这种情况下，高速串行总线成为解决问题、提高系统性能的选择。而在高速串行总线中有代表意义的两种总线协议就是R a p i d l O 和P C IE x p r e s s。R a p i d l O 技术最初是M e r c u r yC o m p u t i n g 公司为下一代高速嵌入式处理的前端总线开发的专用结构，目前由R a p i d l O 行业协会监管。R a p i d l O 针对嵌入式系统设备的应用设计，被定义为嵌入式系统芯片到芯片、板到板、机架到机架的高性能互连技术。P C IE x p r e s s(亦称P C I e)是

4、由I n t e l 公司所开发。P C IE x p r e s s 可以看作是对外部设备互联P C I 总线的改进，以取代P C I 以提供更高带宽的最新I O 界面。P C IE x p r e s s 关注向后兼容性，其重要的特点是完全兼容P C I，能够在不改动驱动程序和B I O S 的情况下复用现有的设计和芯片。二者都是在嵌入式系统设计中普遍应用的高速串行总线标准。因此，对二者进行详细的分析比较，充分理解和掌握其各自的优缺点，能够为我们在嵌入式系统设计中的高速串行总线的选择提供参考，也能够为高速串行总线的设计提供基础。1 基本性能比较下表是两种高速串行总线总体性能的比较。R a

5、p i d l O 和P C IE x p r e s s 总体性能比较表特征蓑篓袭蓥用熊蓉羹鏊詈釜壕样 1K B 熊蓉旒g 眦r o g通过对两种高速串行总线基本性能的比较，我们可以发现它们有很多共性，如高的传输速率、对软件依赖低、可以应用于芯片到芯片和背板的互连等，但是它们的不同之处也是显而易见的，如最大有效载荷、嵌入式链接控制包的有无、前端C R C 的有无等等。从基本性能上来看，这两种总线都可以应用与嵌入式系统的设计，但其各有侧重，各有特点。收稿日期：2 0 0 9 0 9。1 1作者简介：梁小虎(1 9 8 2 一)，男，陕西神木人，硕士研究生，研究方向为分布式计算机系统。万方数据航

6、空计算技术第加卷第3 期2 规范体系比较2 1 网络分层模型R a p i d I O 协议采用3 层分级体系结构，即物理层、传输层、逻辑层。其结构图如图1 所示。逻辑层规范传榆层规范物理层规范图1R a p i d I O 网络分层P C IE x p r e s s 协议也定义为三层体系结构，分别为物理层、数据链路层、处理层。其结构图如图2 所示。事务层数据链路层E!窭翌匹图2P C IE x p r e s s 总线层次体系结构在物理层定义中，R a p i d I O 串行物理层电器接口使用差分电流量控制基于8 0 2 3 X A U I 规范的驱动器，而P C IE x p r e

7、s s 协议的电器接口采用高速的低压差分信号(L V D S)的驱动器和接收器；R a p i d l O 协议在每个方向上支持一个差分对，称为1 通道，或支持四个并列的串行差分对，称为4 通道。P C IE x p r e s s 链接可以配置为x 1，)【2，x 4，X 8，X 1 2，X 1 6 和X 3 2 信道宽度，通过增加收发数据信号对而形成多个信道；R a p i d I O 协议支持每通道1 2 5G，2 5G 和3 1 2 5G 波特率，数据速率分别为1 0G b p s，2 0G b p s 和2 5G b p s。P C IE x p r e s s 在初始的信号频率条件

8、下，可以达到技术标准规定的2 5G b p s，随着芯片技术的进步，这一速度可以达到1 0G b p s。都采用8 B 1 0 B 编码方案将发送时钟嵌入到数据中。在中间层定义中，R a p i d l O 协议定义为传输层。R a p i d l O 支持8b i t 或1 6b i t 器件I D，因此一个R a p i d I O网络最多可容纳2 5 6 或6 55 3 6 个终端器件。R a p i d I O支持广播或组播，每个终端器件除了独有的器件I D外，还可配置广播或组播I D。P C IE x p r e s s 协议定义为数据链路层，其功能设置基本对应与R a p i d

9、l O 协议物理层中的流量控制和错误管理。在最高层定义中，R a p i d I O 协议定义为逻辑层，定义了全部协议和包的格式，为端点器件发起和完成事务提供必要的信息。R a p i d I O 包由包头、可选的载荷数据和1 6b i tC R C 校验组成。逻辑层目前支持2 种标准：直接I O D M A、消息传递。P C IE x p r e s s 协议定义为处理层，处理层主要负责生成出站T L P(出处理层数据包)和接收站r I I L P 流量。支持用于非报告事物的分离事物协议，实现虚拟通道的管理和支持服务质量(Q o S)。两种高速串行总线都采用了包交换技术，但是R a p i

10、d t O 采用的是小包传输，数据包最大有效载荷长度为2 5 6B y t e，并且支持多种打包方式，可以有效提高打包效率，这就可以充分满足嵌入式系统对实时性的要求，而P C IE x p r e s s 协议数据包最大有效载荷长度为40 9 6B y t e，这个特性可以应用与包含高速图形卡、高速以太网等要求的嵌入式系统的大数据传输的连接。从网络分层模型来看它们的分层结构都体现了可扩展性，可以提供在任意层增加新的事物而无须更改其他层规范的灵活性。这些都为嵌入式系统的升级和性能的提高提供了基础。2 2 系统互联组成R a p i d I O 和P C IE x p r e s s 都应用于系统

11、内互联总线。R a p i d I O 串行总线可以应用于处理器总线、本地I O 总线和背板总线，而P C IE x p r e s s 串行总线一般应用于本地I O 总线。R a p i d l O 支持多种系统拓扑结构来保证其系统灵活性、性能和可靠性。根据应用需求的不同，可以采用点对点、星形、双星形、链式拓扑结构，最常用的为基于交换的星形拓扑结构，如图3。R a p i d I O 星形连接的拓图3R a p i dI O 互连结构扑结构中，由端点器件和交换器件组成，端点器件发送和接收数据包，交换器件连接多个端点器件，将数据包从输入端口接收后经路由选择后发送到目的端口。系统中会指定一个或者

12、多个端点器件作为交换网络的主万方数据2 0 1 0 年5 月粱小虎等：高速串行总线R a p i d I O 与P C IE x p r e s s 协议分析比较1 2 9 器件，主器件可以是处理器、D S P、全局共享内存等。在系统启动时，主器件通过枚举的方式，负责整个系统的发现和初始化。系统中的多个端点器件做主器件可相互作为冗余备份，当上电时两个主器件开始枚举，当相互发现对方时优先级高的主机继续承担枚举任务。而优先级低的主机停止枚举，当枚举到系统的其他部件时，系统枚举结束。P C IE x p r e s s 串行总线的拓扑结构主要为树形结构，系统中的主要组件包括一个根联合体，若干交换器和

13、端点设备。根联合体指的是连接C P U 和存储子系统及P C IE x p r e s s 结构的设备。它可能支持一个或者多个P C IE x p r e s s 端口。交换器可以看做由两个或多个逻辑P C I P C I 桥组成，每个桥与一个交换器端口相连。交换器以类似P C I P C I 桥的方式，利用基于存储器、I O 或配置地址的路由方法转发数据包。端点设备是不同于根节点和交换器的其他设备，这些设备是P C IE x p r e s s 事物的请求者或完成者。在配置开始时，根联合体通过交换器以枚举的方式对端点设备逐一进行配置。图4P C IE x p r e s s 互连结构R a

14、p i d l O 串行总线灵活的拓扑结构和多样的处理部件，适应了嵌入式系统处理单元多样性的要求；它允许存在冗余的主机和交换机，提高了系统的健壮性。而从P C IE x p r e s s 串行总线的拓扑结构来看，可视为由逻辑P C I P C I 桥实现的P C I 总线点到点版本，它与P C I 总线高度兼容，实现简单，成本低廉，但它在高性能嵌入式系统开发者所需要的多样性、健壮性上有所欠缺。3 深层协议比较3 1 流控方式R a p i dI O 链路层定义了三个流控制规则：接收器将有效缓冲区通过控制符号报告给发送器的信任规则；接收器在没有有效缓冲区时的重试规则；接收器发送请求插入空闲的抑

15、制规则。P C IE x p r e s s 的流控机制是只有在接受设备有虚拟信道缓冲区空间接受数据包时，才通过链路发送。流控制是硬件自动管理的，对于软件透明。接受设备会定期发送一种流控制数据包给发送设备，该数据包中含有流控制信用信息，来更新发送器关于接受器虚拟信道缓冲区还有多少可用空间的信息。R a p i dI O 的流量控制机制可以很好地满足嵌入式系统应用，它针对不同的应用提供了三种规则，同时注重提高效率和降低复杂度。而P C IE x p r e s s 采用机制相对简单且软件透明的流控机制，降低实现和应用的技术门槛，可以应用于一些简单的嵌入式系统中。3 2 服务质量R a p i d

16、I O 的服务质量通过逻辑层的事务请求流和物理层的优先级机制配合实现。一个事务请求流是一个资源节点和目的节点问的操作队列，两个终端节点间可以有多个流。维护事务不属于流的部分，但在通过交换结构时维护事务不能越过比它优先级高或者相同的事务。响应也不是流的一部分。且响应之间没有次序。R a p i dI O 允许在两个终端间的流划分优先级，即高优先级的事务可以越过低优先级的事务，但两端点间的流是无序的。P C IE x p r e s s 的服务质量是通过流量类别(T C)和虚拟通道(V C)实现的。T C 不同的数据包能以不同的优先级通过交换结构，从而使性能不同。T C 是在数据包内发送一个T L

17、 P 头字段，在点对点通过路由设备时并未改变。本地应用程序或系统软件应根据性能要求确定某个数据包应使用什么T C 标志。V C 是物理缓冲区，它通过使用发送和接收器虚拟信道缓冲区，提供一种在物理链路上支持多个独立逻辑数据流的手段。3 3 错误管理R a p i dI O 支持丰富的维护和错误管理的功能集，允许初始化系统发现、配置、监测和恢复。其机制是：如果一个包不在确认队列或者检测到错误的C R C，将会发出控制符号来同步发送和接受双方并重新发送信息包；当一个包丢失时，看门狗电路将报错并进入自动恢复状态机尝试重新同步和重发。如果一次传输多次传输失败，R a p i dI O 硬件将会产生中断消

18、息给系统管理器，并请求更高级的软件错误恢复机制。P C IE x p r e s s 的错误管理机制是：在每个发送的数据包中嵌入C R C 校验字段，以支持链路层的错误检查协议，接受万方数据1 3 0 航空计算技术第4 0 卷第3 期器可以借此检查链路层错误。如果接受器查出错误，会通知发送器数据包有错，发送器自动重发该包以纠正错误。针对嵌入式的目标应用，R a p i dI O 明确定义了链路间直接确认，具有很强的错误监测与恢复能力。而P C IE x p r e s s 对于错误发现的关注要多于对错误的恢复，对于传输数据有效性有要求的系统，它需要回读数据，效率较低。在一些对错误修正要求不严格

19、的嵌入式系统中可以应用，以达到降低成本和设计复杂度的要求。4 结束语通过对R a p i d l O 串行总线和P C IE x p r e s s 串行总线的比较，R a p i d I O 串行总线的小包的传输效率更高、允许更灵活的拓扑结构和多样的处理部件、更好的系统健壮性、更高效率的流控机制、更多级的服务质量和更强的错误管理机制，适用于高实时性、高可靠性的嵌入式系统的设计。嵌入式业界已开始将R a p i d I O 协议高速串行总线技术整合到芯片中，这样就可以减少所需的额外器件，从而降低系统的总成本。而P C IE x p r e s s串行总线则关注向后兼容性，兼容P C I 总线，

20、具有大块数据传输效率高、系统拓扑简单、技术门槛低、使用和设计成本低廉等特点，在一些成本控制严格、实时性和可靠性要求较低、系统复杂度较低的嵌入式系统里可以考虑使用。参考文献：1 孟会，刘雪峰P C IE x p r e s s 总线技术分析 J 计算机工程，2 0 0 6(2 3)：2 5 3 2 5 5 2 P C IE x p r e s sB a s eS p e c i f i c a t i o nR e v i s i o n1 0 Z 3 S a mF u l l e r 著，王勇译R a p i d l O 嵌入式系统互联 M 北京：电子工业出版社。2 0 0 4 4 赵博龙高速

21、互联技术R a p i d l O 研究与实现 D 西安：中航工业第6 3 1 研究所，2 0 0 9 A n a l y s i sa n dC o m p a r i s o no fH i g hS e r i a lB u sR a p i d I Oa n dP C IE x p r e s sP r o t o c o lL I A N GX i a o h u，W A N GL e，Z H A N GY a d i(A e r o n a u t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i c a lR e s e a r c hI n s t i t

22、 u t e，X i a n7 1 0 0 6 8，C h i n a)A b s t r a c t：W i t ht h ei m p r o v i n gr e q u i r e m e n to fd a t at r a n s p o r t i n ga b i l i t yo ft h en e wg e n e r a t i o no fh i l g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e m，t h eh i g hs e r i a lb u s，t w oo fw h i c hc h o i c e sa

23、 r eR a p i d I Oa n dP C IE x p r e s s(a l s oc a l l e dP C I e)，i su s e dw i d e ra n dw i d e r T h ep a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c et ot h ec h o i c eo fh i g hs e r i a lb u so fe m b e d d e ds y s t e md e s i g nt h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h et w op

24、r o t o c o l si ns o m ea s p e c t s，s u c ha sw h o l ew o r km e c h a n i s ma n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s，l a y e rm o d e l，t o p o l o g i c a ls t r u c t u r e，s e r v i c eq u a l i t ya n ds oo n K e yw o r d s：h i g hs e r i a lb u s；R a p i d l O；P C I E；s e r v i c eq u

25、a l i t y；e r r o rm a n a g e m e n t万方数据高速串行总线RapidIO与PCI Express协议分析比较高速串行总线RapidIO与PCI Express协议分析比较作者：梁小虎，王乐，张亚棣，LIANG Xiao-hu，WANG Le，ZHANG Ya-di作者单位：中国航空计算技术研究所,陕西,西安,710068刊名：航空计算技术英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE年，卷(期)：2010,40(3)被引用次数：3次 参考文献(4条)参考文献(4条)1.孟会;刘雪峰 PCI Express总线技术分析期刊论文-计

26、算机工程 2006(23)2.PCI Express Base Specification Revision 1.03.Sam Fuller;王勇 RapidIO嵌入式系统互联 20044.赵博龙 高速互联技术RapidIO研究与实现 2009 本文读者也读过(9条)本文读者也读过(9条)1.张娟娟 RapidIO高速串行总线的研究与实现学位论文20112.朱坚.徐光辉.朱利利.Zhu Jian.Xu Guang-hui.Zhu Li-li 基于Serial RapidIO的高速实时数据采集处理系统期刊论文-电子质量2008(10)3.侯红英.HOU Hong-ying RapidIO高速串行

27、总线的信号完整性仿真期刊论文-电讯技术2008,48(9)4.王丽英 高速串行技术带来测试新挑战期刊论文-今日电子2008(5)5.王帆.刘云.Wang Fan.Liu Yun 串行RapidIO在多DSP系统中的应用初探期刊论文-计算机与数字工程2008,36(8)6.王欣.杨涛.傅丰林.Wang Xin.Yang Tao.Fu Fenglin RapidIO互连技术研究期刊论文-电子科技2008,21(9)7.陈正捷.蔺宏江.陈志昊.CHEN Zheng-jie.LIN Hong-jiang.CHEN Zhi-hao 国外军用计算机数据交换技术的发展期刊论文-兵工自动化2010,29(4)8.汪星宇 RapidIO技术在信号处理系统中的应用与研究学位论文20099.侯红英.HOU Hong-ying RapidIO高速串行总线的信号完整性测试期刊论文-电讯技术2008,48(7)引证文献(3条)引证文献(3条)1.余松涛 嵌入式远程数据采集与传输技术的研究与实现期刊论文-电子科技 2013(5)2.邓哲.张伟功.朱晓燕.杜瑞 动态可重构总线数据传输管理方法设计与实现期刊论文-计算机工程 2013(1)3.王玉欢.田泽.蔡叶芳 RapidIO IP核的验证方法研究期刊论文-计算机技术与发展 2011(7)本文链接：http:/