RapidIO在綜合化CNI系統中的應用

顧生輝

(中國西南電子技術研究所，四川成都610036)

RapidIO在綜合化CNI系統中的應用

顧生輝

(中國西南電子技術研究所，四川成都610036)

作為航空電子信息系統典型代表的CNI系統，采用了綜合化、開放式的思想進行系統體系架構設計，本文介紹了RapidIO在CNI系統設計中的應用，對設計過程中的網絡拓撲結構設計、速率和通信機制選擇、傳輸設計的仿真驗證手段、光纖RapidIO的應用等方面的內容進行了介紹，最后詳細介紹了RapidIO網絡的軟件的設計。通過在CNI系統中的應用和試驗驗證，證明了RapidIO技術對于工程型號的實用性，這對后續型號工程化應用具有重要意義。

綜合化航空電子信息系統RapidIO CNI

1 引言

近年來，綜合化已經成為航空電子信息系統發展的一個主要趨勢，其主要原因之一就是綜合化是解決航電傳感器體積、重量以及功耗問題的一個主要手段，而通信、導航、識別（簡稱CNI）系統與雷達、電子戰、光電等子系統一樣是綜合化航空電子信息系統的重要組成子系統[1]，因此綜合化的CNI系統設計也是CNI系統發展的一個主要方向。

對于綜合化的航空電子信息系統設計來說，其系統體系架構的設計是至關重要的，合理的體系架構設計可以為系統帶來可靠性指標的大幅提升、縮短系統研制周期、減少后期維護成本等多方面的好處。

在進行系統架構設計過程中，采用開放式的體系架構優勢尤其明顯，開放式的系統架構允許系統具備可擴展性、很容易插入或更新新的功能及技術,從而延長裝備的壽命周期。其中，總線互連是高度集成、開放式系統的一個重要研究內容，一個系統是否具有開放性，在很大程度上取決于總線的性能[2]。

綜合化的CNI系統設計正是采用這樣一種開放式的系統架構，分別在結構、模塊通用化、總線選型等方面遵循開放式的思想進行系統設計。

綜合化CNI系統由天線及兩個機架組成：一個綜合射頻機架和一個天線接口單元，在結構上均采用通用化、開放式的設計。所有的模塊均采用LRM結構設計，大部分的模塊采用通用化的類設計，類內可以實現任意互換。這種基于標準模塊的設計，加上統一的總線接口設計，使得CNI系統具備了基于模塊的動態資源配置、動態故障重構及冗余備份的能力。綜合化CNI系統組成示意簡圖如下圖1所示：

圖1 綜合化CNI系統組成示意簡圖

2 高速總線的選擇

開放式的航空電子體系架構設計對總線提出了更高的要求，傳統的航空總線，例如ARINC429、ARINC629、1553B總線等因為帶寬受限等明顯的缺陷，已經不能滿足新的航空電子體系架構的需求，必須尋找一種高速的總線來滿足開放式體系架構的需要。

總線技術本身的發展也存在一些規律，目前比較常用的高速總線基本都是屬于串行總線技術，因為傳統的并行總線技術發展到一定的階段之后，其數據傳輸帶寬的能力無法繼續得到提升，因此主要的一些國際組織和企業均轉向開發高速的串行總線技術，最為典型的就是PCI總線向PCIe總線的轉變，其它的高速總線如速率為SATA、1394、Infiniband等無一例外的都是采用串行總線技術，使得傳輸速率達到Gbps的量級，這也主要得益于近年來高速收發器性能水平的迅速提升。

作為航空電子信息系統一部分的CNI子系統屬于典型的嵌入式系統應用，系統互聯要求同時具備芯片級互聯、模塊級互聯、機架級互聯的能力。但是某些總線從設計之初決定了只有在針對特定應用的時候才能發揮其最大的優勢，例如SATA是為替換并行ATA而設計出來的高速串行接口設備接口，而Infiniband則主要是針對大規模網絡存儲的服務器接口。在對高速總線的芯片物理接口、支持的拓撲形式、編程模型等綜合考慮后，初步選出高速串行總線中的RapidIO和PCIe比較適合CNI系統的要求，進一步進行比較后發現，RapidIO串行總線的小包的傳輸效率更高、允許更靈活的拓撲結構和多樣的處理部件、更好的系統健壯性、更高效率的流控機制、更多級的服務質量和更強的錯誤管理機制，適用于高實時性、高可靠性的嵌入式系統的設計[3]。因此，最終選擇RapidIO總線作為綜合化CNI系統中的數據傳輸總線。

3 RapidIO網絡的設計

RapidIO網絡設計技術可以分為兩方面的內容：總體設計技術和節點設計技術。總體設計技術主要對一些共性的的設計問題進行反復論證和設計，保證系統從整體上不會出顛覆性的問題，總體設計技術包括網絡架構設計、網絡速率和通信機制的選擇、傳輸設計仿真、軟件架構設計等方面內容。而節點設計技術主要側重于節點的實現方式，包括交換節點和端節點的設計，更多的是一些設計細節的實現，典型的內容包括：模塊類型劃分、交換芯片和端接芯片的選擇、模塊內部架構設計和模塊內部的時鐘、電源、連接關系等設計內容。本小節內容將對RapidIO技術在綜合化CNI系統設計中涉及到的一些總體技術進行介紹。

3.1 系統網絡結構

網絡結構的設計可以說是總線技術應用的基礎，系統后續的的軟件設計和硬件設計都將圍繞首先設計好的的網絡架構展開。

RapidIO網絡拓撲設計最典型的有兩種：分布互聯方式和集中交換方式。前者是所有端節點之間的點到點互聯，適用于網絡節點數量比較少、連接關系相對簡單的系統。后者以交換芯片為核心構建交換網絡，其余節點作為端節點分別接入各個交換芯片，構成整個系統的Fabric網絡構型，適用于節點規模較大的系統，而且這種架構也便于網絡的統一管理和系統后續的擴展，使得系統的開放性更好。本文描述的綜合化CNI系統即是采用這種網絡結構設計。

CNI系統的RapidIO網絡的網絡結構如下圖2所示：

圖2 RapidIO網絡結構示意圖

從上圖可以看出，CNI系統中的RapidIO網絡是典型的1+1備份的雙星型集中交換網絡結構，兩個交換網絡分別配備一個網管，即主備網管。

從物理構型上來說，配備了兩個RapidIO網絡交換模塊，每個交換模塊上有若干交換芯片，交換芯片之間交叉互聯，每個交換芯片提供若干網絡端口供其余模塊上的網絡端節點接入，每個端節點對稱的接入主網絡（實線所示）和備網絡（虛線所示），系統默認使用主網絡，在主網絡故障的情況下自動切換至備網絡。主備網管功能集成在交換模塊上，由基于PowerPc處理器硬件和嵌入式操作系統的軟件編程實現。

3.2 網絡速率和通信機制選擇

從標準規范的發布情況來看，RapidIO 1.x標準支持的信號速率為1.25Gbps、2.5bps和3.125Gbps[4]。后續發布的RapidIO 2.x標準在兼容RapidIO 1.x標準基礎上，增加了支持5Gbps和6.25Gbps的傳輸速率。

CNI系統功能眾多，但是單個功能的數據量有限，大部分的數據傳輸以突發方式傳輸，因此瞬時帶寬要求高而平均帶寬要求低。在對系統總突發數據率需求分析的基礎上，綜合考慮了系統設計的實現難度（例如高速連接器選擇、廠商芯片的支持程度、高速背板設計復雜度）等因素后，本系統的網絡傳輸速率定為1.25Gbps，1×模式。

雖然RapidIO規范支持消息通信、全局共享內存（GSM）、直接內存存取（DMA）等多種通信機制[5]，但是在考慮到芯片廠商的支持程度（因為模塊設計會涉及到DSP和PPC等多類型的廠商芯片，需要都支持相同的通信機制）后，CNI系統中的RapidIO最終采用消息通信作為本系統RapidIO的通信機制。

3.3 傳輸設計仿真

航空電子產品綜合化的過程在對系統體積、重量、功耗等逐步優化的同時，也必然使得系統布局更加緊湊，單位面積上和單位空間中電路的集成度更高，導致系統對電磁兼容方面的問題更加敏感。同時，相對于傳統的較低速的總線而言，RapidIO這種高速傳輸總線所涉及到的高速數字信號的傳輸本身也對硬件實現技術提出了更高的設計要求。

因此在系統設計上采用類似RapidIO網絡這種高速傳輸技術的時候，十分有必要考慮一些先驗的手段保證系統傳輸設計的可實現性，防止顛覆性問題的出現。

例如本系統設計進行的過程中即對綜合射頻機架的復雜背板進行了一系列的仿真，包括高、低速傳輸線仿真和電源線仿真等。針對RapidIO傳輸線引入串擾后傳輸效果仿真，串擾模型和眼圖分析分別如下圖3和圖4所示：

圖3 RapidIO仿真串擾模型圖

圖4 RapidIO仿真眼圖分析

在系統硬件設計實現之后，再針對實際硬件進行眼圖、BER、阻抗一致性等方面的測量，分析抖動、噪聲、串擾、傳輸線效應等對實際傳輸效果的影響，以保證RapidIO網絡傳輸系統本身沒有任何問題，這樣也可以縮短系統聯試過程中故障定位時間，同時實測結果也可以用用來對仿真結果進行驗證。事實上，CNI系統后續的測試結果和上述的仿真結果基本一致，也就證明了仿真過程及其結果的正確性。

3.4 光纖RapidIO的使用

根據飛機上安裝位置的設計，天線接口單元的安裝位置靠近天線，距離CNI綜合射頻機架的距離較遠。因此，在系統設計的時候創新的提出了CNI綜合射頻機架與天線接口單元間采用通過光纖連接來進行RapidIO網絡的擴展連接。

通過綜合射頻機架中的通用接口模塊，實現RapidIO網絡電到光的轉換，將天線接口單元中的RapidIO節點直接接入綜合射頻機架中的RapidIO網絡（如圖2所示），保證天線接口單元數據傳輸效率的同時，也方便了系統控制管理軟件對天線接口單元中模塊資源的管理。

在光纖應用設計的時候由于RapidIO采用基本的1.25Gbps的速率，因此普通62.5μm多模光纖即可滿足需要，但是普通的民品光纖連接器大部分不能滿足機載振動環境的使用要求，因此CNI系統總體設計規定了必須選用相關耐環境要求的專用機架光纖連接器和LRM模塊光電混裝連接器，以提高系統整體的可靠性。

4 RapidIO軟件設計

綜合化CNI子系統進行軟件設計的時候，軟件體系結構全部使用開放式軟件結構，完成了分布式多處理器系統的軟件構型設計。

4.1 實時通信中間件軟件

RapidIO軟件設計的時候創新性的提出了基于SCA的RapidIO實時通信中間件和網絡管理技術架構，先后突破了RapidIO高速實時通信中間件設計、RapidIO LIGHT通信協議棧設計、異構OS統一設計模型設計等關鍵技術。

采用基于RapidIO高速總線的RCS協議取代了CORBA產品中傳統以太網總線TCP協議，移植后omniORB和ORBExpress產品經測試證明其CORBA服務正常，解決了在以太網總線上架構CORBA導致的時延不確定和傳輸速率低等缺點。

軟件間接口遵循CORBA2.6規范和GIOP1.2互操作規范。

RapidIO網絡和通信中間件主要包括RapidIO通信軟件、RapidIO網管軟件、RapidIO網絡GUI軟件，向上通過服務接口為應用軟件提供實時通信、平臺資源管理和可視化網絡監控服務；向下通過硬件抽象適配層與硬件接口，實現應用與硬件之間的松耦合設計。

RapidIO通信軟件是網絡中數據通信的中間件，用戶程序在使用RapidIO網絡進行數據通信的時候，只需簡單的調用通信軟件提供的接口函數，使得RapidIO網絡的傳輸細節對用戶程序透明。

4.2 可視化網絡管理軟件

可視化網絡管理軟件分為RapidIO網絡管理軟件和可視化配置與管理軟件兩部分。

RapidIO網絡管理軟件主要完成正常工作情況下，網絡的路由配置和狀態管理，保證網絡節點間通信鏈路的暢通，其主要功能包括：

（1）RapidIO網絡的枚舉和發現，建立網絡節點之間的拓撲關系表，實現網絡節點的查找、插入和刪除功能,建立節點通信資源的管理維護表，實現節點通信功能的配置和維護。

（2）通過RapidIO與系統控制進行信息交互，包括應用程序的軟件部署信息，網絡節點資源運行狀態，以及通信鏈路狀態。

（3）網絡路由配置等XML文件的解析；包括通信邏輯鏈路綁定的主備物理鏈路的路由表配置；

（4）雙星型網絡的主備同步，默認主交換模塊工作，備交換模塊實時記錄網絡工作狀態，當主交換模塊故障時，備用交換模塊接替主交換模塊的工作；

（5）識別出RapidIO邊緣節點的鏈路故障并通過CM-GUI代理軟件上報系統監控；

（6）判斷出交換網絡故障，實現雙網絡時的主備網絡切換和網絡邏輯通信鏈路的平滑切換；實現單網絡時冗余路由的配置，和網絡邏輯通信鏈路的平滑切換；

（7）網絡運行日志的記錄，并通過CM-GUI代理，上報給監控軟件。

RapidIO可視化配置與管理軟件通過以太網和RapidIO網管程序進行交互信息，用可視化的方法進行物理、邏輯鏈路的顯示、監視和配置，并且能夠通過命令行的方式進行系統的控制。通過配置，實現預案的下發和存儲。通過監控，可以查看系統的運行狀態，具體包括：

（8）創建配置文件。

（9）用可視化方式來翻譯和表達網絡配置信息，實現硬件組件和軟件組件的可視化表示，組件和連線的鼠標拖拽。

（10）配置應用程序之間的邏輯連接關系。

（11）配置邏輯連接所使用的主/備物理鏈路。

（12）下發配置文件，并存儲在RapidIO管理節點的FLASH存儲設備中。

CNI系統的RapidIO可視化配置與管理軟件的界面。

4.3 模塊化軟件支持庫

與其它航電功能子系統單一功能不同的是，CNI系統是由來自通信、導航、識別三個方面的多個功能線程組成的多功能并發工作的復雜系統。在開放式架構的系統設計思想指導下，各功能線程盡可能的使用相同的硬件資源，通過不同的信號處理軟件實現不同的功能，因此多功能線程并發執行的時候，給系統設計一方面帶來共用軟、硬件資源調配的問題，另一方面也存在多個參研單位軟件設計一致性的問題。

綜合化CNI系統不但硬件設計按照模塊化的的思路，軟件同樣按照模塊化思路封裝為軟件支持庫的形式。由于CNI系統功能眾多，參與研制的單位也較多，因此封裝過后的軟件支持庫為各個廠家的軟件設計一致性提供了便利，同時由于各家的軟件是在支持庫統一標準的約束下進行開發，這樣就縮短了各參研單位軟件開發周期，更極大的降低了系統聯試過程中的軟件聯試工作量，縮短了整個系統的研制周期。

以RapidIO網絡中應用最多的DSP芯片軟件為例，其組成架構圖如下圖6所示，其中DSP的bootloader和加載管理程序、操作系統、通信軟件（中間件）、RapidIO數據捕獲和DSP管理軟件、DSP軟件主線程等均由軟件支持庫統一提供。

軟件支持庫為用戶提供詳細的接口說明、用戶軟件開發流程、使用例程等信息，同時對存儲資源分配、中斷和時鐘使用約束等給出明確的要求，用戶在此基礎上只需完成RapidIO用戶數據接收和處理函數、用戶功能算法軟件兩方面的軟件設計，整個RapidIO網絡底層的通信過程實際上對用戶而言是透明的。

Application of RapidIO Interconnection Technique in CNI System

GU sheng-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

As a representative of Avionic integrated electronic information systems,CNI（Communication,Navigation,Identification）system adopted integrated and open system designing methods.In thispaper,some issues about application of RapidIO in CNI system are discussed such as topological structure,rate,work mechanism,simulation technology,fiber application,as well as software designing for RapidIO.The successful application and validation of RapidIO in CNI system are significative for follow-up Avionic program engineering.

Integration;Avionic integrated electronic information systems;RapidIO;CNI

TN971

A

1008-1739（2015）08-51-5

定稿日期：2015-03-26