嵌入式總線架構的發展分析

史雪輝

(海軍裝備部駐南京地區第二軍事代表室, 江蘇 南京 211153)

0 引 言

近年來隨著雷達技術以及微電子和計算機技術的不斷發展，傳統的雷達觀念、體系架構不斷變化。雷達體系正從流程型向網絡型，從定制化向開放式，從數字化向軟件化、智能化發展。雷達的應用需求和技術發展促進了雷達硬件技術的飛速發展。

開放式雷達系統結構(ROSA)的概念于2009年由美國首先提出，當前已有一定的設計標準且完成了相關的原則制定。另外，作為示范性推廣項目，由美國空軍研發的三坐標遠程雷達已進入技術演示和驗證階段。之后，林肯實驗室在2013年提出ROSA-II 分層架構的理念，相較初始ROSA-I 架構，這種新型架構在靈活程度、可擴展性、模塊化程度以及可維護性等方面進行了改進。架構中規定硬件平臺需使用標準化的總線以及協議構件開放式架構，達成各類異構計算節點互聯。2014年美國海軍和空軍司令部提出了HOST(硬件開放式體系架構技術標準)用于提供軍事應用處理系統的經濟性、可重用性，降低開發進度風險。國內2015年開始軍方牽頭開展雷達開放式體系架構研究，涉及體系架構，試驗平臺、相關規范等工作，各雷達主機廠結合成熟商用規范相繼制定了硬件設計規范[1]。

1 嵌入式總線架構發展過程

PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)和VITA(VME International Trade Association)兩大組織一直是總線技術的引領者。

PICMG組織總線發展歷程如圖 1所示，20世紀80年代初，推出了ISA總線，1991年底Intel計算機架構實驗室首先推出了PCI總線規范，并聯合IBM、Compaq、DEC、NCR等公司成立了負責規范研制、過程管理以及推廣的PCISIG(Special Interest Group)。1994年,PCI工業計算機制造商協會(PICMG)由多廠聯合成立，負責制定有關嵌入式計算機的通用技術標準。同樣于1994年PICMG基于PCI電氣和軟件規范確定了CompactPCI總線標準，總線按照歐卡的工業組裝標準組合而成，具有包括開放體系架構、高可靠性、低成本以及通用操作系統等優勢，并在2000～2012年 CPCI在雷達領域大規模應用。可是由于PCI并行結構本身有一定的局限性，難以滿足不斷提高的帶寬和可擴展需求，因此PICMG在2002年制定PCI Express標準，使用串行結構高速互聯技術，且具有與CPCI規范兼容的能力[2]。

圖1 PICMG架構發展歷程

2005年7月CPCI Express規范PICMG EXP.0發布，該標準根據第3代總線PCI Express電氣特性，并結合了CPCI總線的機械結構形式，在實現PCI-E總線體系結構、突破帶寬的同時，能夠為計算機提供可靠性高、模塊化和可快速動態重組的解決方案。但是隨著半導體技術的不斷發展，以及通信行業對數據流量的要求越來越高，基于CPCI的平臺在功耗和數據交換能力方面已經無法滿足需求。PICMG主要面向通信領域，2002年底發布了PICMG3.0，ATCA(先進的電信計算平臺)核心規范，定義了結構、電源、散熱、互聯與系統管理核心規范，包括3.1以太網和光纖傳輸、3.2InfiniBand傳輸、3.3星型傳輸、3.4PCIE傳輸、3.5RapidIO傳輸。ATCA主要針對電信運營及應用，具有高性價比、模塊化、兼容性強、可擴展等特點，由于惡劣環境下適應性問題未在軍工及雷達領域廣泛應用[3]。

VITA組織總線發展歷程如圖 2所示，20世紀80年代初，VME總線作為一種通用的計算機總線，結合了Motorola公司Versa總線的電氣規范和歐卡機械封裝標準，能夠支持并獨立于多處理器計算機系統。1984年，VME國際貿易協會組織(VITA)成立，致力于推動VME總線的市場和發展。1987年推出了VME32。VME采用歐卡結構，可靠性高，廣泛應用于工業控制、實時處理和軍用領域。其在20世紀90年代成為雷達領域應用的主流架構，VITA先后多次推出VME64、VME64x、VME320等規范。VME64將數據寬度從32位擴展為64位，增加了總線鎖定周期和主插槽探測功能，并增加了對熱插拔的支持；VME64x相對于VME64，傳輸協議從四沿傳輸變為雙沿信號傳輸[4]。

為了增大帶寬和提高制冷能力，VITA先后推出VXS(VITA41)、VPX(VITA46)、REDI(VITA48)、電源標準(VITA62)、OpenVPX(VITA65)、光傳輸(VITA66)、射頻傳輸(VITA67)等一系列新的嵌入式系統標準。其中，VPX全部采用高速連接器，其連接緊密，插入損耗小，誤碼率低；結合REDI組成的VPX-REDI平臺可以用于惡劣的作戰環境和大帶寬的軍工應用。

2 嵌入式總線互聯發展趨勢

傳統的嵌入式多處理器系統通過分時共享總線實現處理器間的互連，如PCI和VME總線，這類總線的總帶寬有限，處理器增加，每個處理器占據的帶寬就會變窄，這將嚴重制約處理器間的信息傳輸能力，不能滿足高性能嵌入式多處理器系統間的高速信息傳輸。為解決這一問題，發展了以高速串行總線為代表的新一代總線技術，其優勢在于各處理模塊可以共享總線，互不影響，且總線帶寬可以隨端口數量的增多而增加。目前主流的總線包括PCI-Express、SerialRapidIO、InfiniBand、10 G、40 G、100 G以太網為主流的串行總線。總之，總線技術用交換方式取代了共享總線，用點到點方式取代了寬通道方式，差分信號取代了單端信號，串行I/O取代了并行I/O。隨著大數據、云計算等技術的發展，10 G、40 G以太網已逐漸成為雷達處理系統的主流交換架構。

圖2 VITA架構發展歷程

3 VPX系列標準分析及雷達應用

VPX架構開放性好，支持高速串行交換總線，滿足惡劣環境需求，在軍工及雷達領域逐漸占據主導地位。VPX標準主要由VITA46、VITA48、VITA62、VITA65、VITA66、VITA67等規范組成。

VITA46，即通常所說的VPX，是模塊級規范，由一系列子規范組成，完成對總線引腳與連接器的定義;明確規范了3U和6U背板連接器的高速互聯協議(VITA46.0);定義了VPX總線的引腳、與VME總線的引腳映射關系(VITA46.1)、與串行RapidIO的引腳映射關系(VITA46.3)以及與底板的插座(VITA46.12)；明確了它支持的數據交換架構，包括PCI(VITA46.2)、PCI Express(VITA46.4)、PMC/XMC(VITA46.9)等；并給出了其上電先后順序和系統管理(VITA46.13)。

將P0/J0連接器換成了MultiGigRT2連接器，如圖3所示。該連接器包括可控阻抗、低插入損耗，傳輸速率最高10.0 Gbps，將來可支持到25.0 Gbps，串擾小于3%。其主要目的是提高數據總線傳輸帶寬，該連接器系統牢固，能夠滿足雷達系統大傳輸帶寬要求，可用于惡劣環境。

圖3 Open VPX Planes 示意圖

3U與6U模塊的VPX模塊結構尺寸分別為160 mm×100 mm和160 mm×233.35 mm，采用了IEEE 1101.1和1101.2標準(分別對應于采用空氣冷卻和導體冷卻的模塊)。

VPX模塊采用直流電源供電，主供電電壓為+5 VDC、+12 VDC或+48 VDC，輔助供電電壓為+3.3 VDC。通過連接器P0對模塊供電，主供電電壓對應P0信號定義中的Vs1、Vs2和Vs3，實際供電電壓為Vs1、Vs2和Vs3的組合。每個槽位所允許的最大功率分別為384 W。隨著功耗限額的提高，設計者在選取器件時有了更大的靈活性，為雷達高性能處理提供了強勁的動力,此時真正限制功耗的是系統的冷卻能力。

VITA48，即增強加固設計的機械規范(REDI-VPX)。它在模塊結構等方面對VITA46標準進行了補充，使其可以更好地用于艦載、機載雷達，滿足對振動、沖擊、海拔、溫度等的要求，同時它是第1個可用于軍用平臺的商用現貨(COTS)模塊的標準。其內容包括V48.0(基礎)、V48.1(風冷)、V48.2(導冷)、V48.3(液冷)等4個子規范。在加固型VPX系統的實現中，增加了0.85英寸(21.59 mm)以及1英寸(25.4 mm)的模塊間距選項。

VITA62，VPX電源模塊標準。定義了電源模塊和電源背板的連接器、引腳、結構尺寸等。電源模塊具有符合VPX標準的管理總線、槽位號、使能等功能。單個電源引腳的輸出電流可達40 A，支持電源模塊并聯功能，可為雷達處理平臺內各處理模塊提供大功率的電源支撐。

VITA65，它倡導形成一個廠商設計板卡和系統搭建的標準化指南，有益于VPX板卡生產廠商的設計及后續產品的兼容，增強了系統的開放性，便于設計者更好的發揮。

VITA65主要由以下三部分內容組成：

第一部分定義了所涉及的系統分類和術語，采用統一的語言表達系統級的概念，并用“通用平面”進行功率和通用功能的定義。

第二部分中提煉出一個通用的系統引腳和profile(描述結構和層次的文件),定義通用槽和背板配置文件，確定開發模版的標準。VITA65定義了包括 backplane Profile、Slot profile、module profile、chassis profile等profile。實現產品兼容，僅要求廠家提供兼容的產品profile文件。另外，VITA65也定義了不同類型的平面(各設備間互聯的物理和邏輯通道)，其中包括擴展平面、數據平面、控制平面、管理平面、通用平面等。每臺設備可利用部分或全部平面及其它的設備通道(示意圖如圖5所示)。

第三部分對背板的拓撲結構進行了詳細的定義，高速串行交換架構成為主流背板拓撲架構。

VITA65標準的引入極大減少了整個系統的設計費用以及所需時間，它通過標注化板卡的設計和使用，實現現有機箱和背板的快速整合。這樣的板卡有著更強的互操作性。另外，如需替換硬件板卡，僅需升級模塊，為雷達處理系統的通用化、模塊化、標準化提供了技術支撐。

VITA66，即VPX光纖互聯標準，規定了VITA46背板和模塊盲插光信號互聯方式。連接器如圖4所示，傳輸通道數當前為12～24 lanes@25 Gbps，將來可達24～48 lanes@25 Gbps。當前光纖技術在雷達領域大規模應用，VITA66的推出解決了光纖輸入直接與板卡互聯問題，提高了系統的可靠性。

圖4 VITA66連接器示意圖

VITA67，即VPX射頻互聯標準，規定了VITA46背板和模塊盲插射頻信號互聯方式。連接器如圖5所示，當前傳輸通道數位4通道@26.5 GHz，將來可達12通道@70 Hz。VITA67的推出使得VPX技術由雷達后端處理向雷達射頻前端延伸，將整個雷達系統納入到統一的規范架構下。

圖5 VITA67連接器示意圖

4 雷達硬件開放式體系架構規范制定的總體思路和意義

結合VPX系列規范，制定高性能、低成本、可持續發展的雷達硬件開放式體系架構規范，規范分3層架構：

第1層內容包括：根據雷達領域主要功能和設計需求，系統定義整個雷達處理平臺系統架構總體描述，概述所有模塊遵循的標準，與具體技術和平臺無關。

第2層定義應用于系統架構所選核心技術的技術需求，為插箱級規范，規范了機箱結構形式、背板拓撲、數據交換方式、總線形式、系統結構及散熱設計等，現階段采用VITA65、VITA48規范。

第3層基于第2層設計，該層為模塊級規范，規定了模塊的種類及詳細的接口定義，保證不同制造商同一類型模塊的互換性，如電源模塊(采用VITA62規范)、交換模塊(采用VITA65規范)、射頻模塊(采用VITA46、VITA66規范)、處理模塊(采用VITA65、VITA46、VITA67)。

該規范的制定具有如下意義：

首先，該規范定義的雷達硬件平臺具有體系先進開放、硬件規范統一、功能柔性重構的特點，對軍用裝備通用化、模塊化、軟件化提供了技術實現基礎。

第二，形成成熟穩定可靠的雷達硬件平臺，使系統功能軟件算法設計與硬件無關，從而讓設計師能更加關注信息處理算法與系統性能優化，從而推動雷達系統總體技術的發展。

第三，通過對雷達的發展和需求進行深入分析，選擇高速串行交換架構的總線形式，提高系統的處理能力和數據傳輸能力，為雷達系統提供高速高效的處理硬件平臺。

第四，各模塊按標準化進行設計，模塊種類統一規定，減少硬件模塊品種和備件數量，從而有效提高系統的可靠性，降低系統成本。

5 結束語

本文首先提出了雷達發展對開放式體系架構的需求，總結了嵌入式總線發展過程，根據雷達需求分析了VITA系列規范的應用優勢，基于對VITA規范的詳細解析提出了雷達硬件開放式體系架構規范制定的總體思路，該規范的制定對雷達體制向軟件化、智能化發展提供了有力的技術支撐。