基于RapidIO總線的機載顯示器通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

鐘海林 張翼飛 張景景 楊粵濤 曹峰

（1.蘇州長風航空電子有限公司 江蘇省蘇州市 215151 2.空裝駐蘇州地區(qū)軍事代表室 江蘇省蘇州市 215151）

1 概述

傳統(tǒng)航空顯示器通信系統(tǒng)中一般為單主機通信，不支持熱備份冗余功能，一旦出現(xiàn)故障，其系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性往往得不到有效地保障。鑒于此，本文采用基于Tsi578 交換機的四級RapidIO 總線交叉級聯(lián)結構，并設計實現(xiàn)了一種深度優(yōu)先結合分級交換機端口升序處理的自適應動態(tài)遞歸遍歷方法，該方法能夠有效地實現(xiàn)對多級RapidIO 總線級聯(lián)系統(tǒng)進行枚舉，在其中一個通信主機出現(xiàn)故障后，備份主機能夠接替原通信主機進行工作,并具備對系統(tǒng)通信主機熱復位操作及動態(tài)修改各級交換機路由信息，實現(xiàn)航空顯示器通信主機備份和通信路徑冗余功能，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)架構

基于RapidIO 總線的顯示器系統(tǒng)架構如圖1 所示，系統(tǒng)包含DCM1、DCM2、GPM1、GPM2 和四個Tsi578 交換機，其中DCM為通信計算機主機（DCM2 作為備份主機）與兩塊GPM（圖形產生板）進行數據傳輸，DCM 采用MPC8548E 作為主通信處理器，GPM 采用MPC8640 作為主通信處理器。系統(tǒng)通過Tsi578 構建形成星型與環(huán)形RapidIO 總線，其中DCM1 默認為RpaidIO 主機，如果DCM1 出現(xiàn)故障，則自動由DCM2 接替DCM1 工作。通過設計相應枚舉算法對整個RapidIO 總線進行枚舉，支持RapidIO 總線和路由表動態(tài)變化和主機（DCM1）與備份主機（DCM2）切換枚舉。

MPC8548E 與MPC8640 內部集成RapidIO 總線控制器，其中RapidIO 總線控制器支持x1/x4 模式，傳輸速率可為1.25Gb、2.5Gb和3.125Gb，支持消息和門鈴機制，消息單元支持存儲地址寄存器最大長度4KB 的消息。Tsi578 交換芯片有8 個媒體訪問控制器（MAC）組成16 個SRIO 端口，16 個端口按奇偶端口劃分成對，在4x 串行模式下最多支持8 個端口，在1x 串行模式下最多支持16個端口，各端口速率可單獨設置，每個端口具有靈活的測試特性包含若干回環(huán)模式和位錯誤率測試。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 枚舉算法設計

根據系統(tǒng)架構與功能需求，本文按照深度優(yōu)先原則對級聯(lián)交換機進行分級處理（一級、二級、三級、四級），每級按端口升序處理并結合主機位置判斷處理策略，提出了一種深度優(yōu)先結合分層交換機升序處理的自適應動態(tài)遞歸遍歷算法。該算法枚舉流程示意如圖2 所示，系統(tǒng)在DCM1 上電后首先進行一級交換處理，一級交換機處理主要是針對與DCM1 相連的外部設備，首先建立一級交換機與主控芯片MPC8548E 物理鏈接，并對一級交換機按端口按升序方式進行枚舉，系統(tǒng)所有RapidIO 總線接口連接采用x4 模式，所以下一個端口號為端口2，若是1x 模式則下一個端口號為端口1。在一級交換枚舉過程中發(fā)現(xiàn)下一級交換設備則進行二級交換枚舉，同樣按深度優(yōu)先原則遞歸枚舉該端口所連接的RapidIO 交換機及設備；依次采用同樣方法處理三級交換枚舉和四季交換枚舉，系統(tǒng)最大的深度是四級交換機，四級為最后一級枚舉，此后便依次遞歸返回到前一級遍歷處理例程中。系統(tǒng)遍歷枚舉過程同步采集RapidIO總線通信路由信息表，DCM1 通過發(fā)出相應的Maintenance read 或writ 操作，配置相應級別的交換機寄存器，設置對應的路由信息。

需要注意的是對各個交換機進行配置時，不同層級的交換遍歷需要設置相應的跳數，否則可能引起系統(tǒng)異常而終止枚舉過程。當系統(tǒng)通信主機由DCM1 切換為DCM2 時，需要DCM2 重新對RapidIO 網絡進行枚舉，并對DCM1 枚舉避讓，防止出現(xiàn)對故障部件遍歷而導致系統(tǒng)異常。

3.2 動態(tài)路由配置

圖1：系統(tǒng)架構圖

圖2：RapidIO 總線枚舉流程示意圖

表1：系統(tǒng)交換路由表

本系統(tǒng)由四個交換機組成，各個端點對應連接端口號是相對固定的，但實際應用中，可能會存在其中一個或多個端點出現(xiàn)故障的情況。因此如何合理地設置系統(tǒng)通信路由信息是非常重要的，本文在具體枚舉實施過程中融合進行相應路由配置的，其次緊隨枚舉過程進行路由信息配置從而實現(xiàn)自適應動態(tài)地修正實際中相應交換機的路由表（Lookup Table，LUT）。路由表的設置通過配置RIO_ROUTE_CFG_DESTID 和RIO_ROUTE_CFG_PORT 確定目的ID 與端口號之間的對應關系實現(xiàn)，并通過查表方式實現(xiàn)系統(tǒng)通信數據包的路由與轉發(fā)。LUT 在系統(tǒng)正常運行的過程中可以再編程，通過主機的Maintance read and write 軟件維護包，對交換芯片的路由表寄存器進行配置，改變輸入包的目的ID 域到輸出端口號，從而改變路由。

需要注意的是，由于是在自動遍歷枚舉系統(tǒng)的情況下，存在未知的情況下對后續(xù)遍歷設備的數目及拓撲結構進行枚舉的需求，只有妥善地處理這種情況才能實現(xiàn)系統(tǒng)真正地動態(tài)自適應的枚舉。需要在一級交換機中將所有通往二級、三級及四級交換機的路由信息都設置完畢，在其后幾級交換機中也做類似的設置。表1 是根據上述路由策略配置的系統(tǒng)各級交換機路由信息。

4 系統(tǒng)通信余度設計

系統(tǒng)的余度設計包含兩個方面：一是系統(tǒng)通信計算機雙機熱備份，二是系統(tǒng)通信路徑冗余。其中通信計算機雙機熱備份是通過DCM1 與DCM2 熱備份實現(xiàn)，而通信路徑冗余則通過對DCM2 冗余枚舉構成。

4.1 通信計算機雙機熱備份機制

通信計算機雙機熱備份機制是在系統(tǒng)中提供一個備份通信主機，在正常上電啟動模式下，由DCM1 負責對整個系統(tǒng)進行枚舉并與GPM1 和GPM2 進行數據通信，而DCM2 則根據位置判斷不對系統(tǒng)進行枚舉。DCM1 成功完成RapidIO 網絡枚舉后，通過門鈴信息與DCM2 進行心跳包通信，一旦在規(guī)定的時間內DCM2 沒有接收到DCM1 的心跳包，則認為DCM1 沒有成功對整個RapidIO網絡進行枚舉或者成功枚舉后在運行一段時間后出現(xiàn)故障不能正常完成RapidIO 通信，此時DCM2 接管整個RapidIO 網絡并重新枚舉，若DCM2 也未正常完成RapidIO 枚舉或不能實現(xiàn)與GPM1 和GPM2 的RapidIO 通信則報向上級處理例程報故，否則使用DCM2替代DCM1 與GPM1 和GPM2 進行數據通行。

4.2 通信路徑冗余機制

通信路徑冗余機制的實現(xiàn)則與系統(tǒng)的拓撲結構緊密相關，如圖1 所示，假設如果沒有對DCM2 進行枚舉，則DCM1 到GPM1和GPM2 只有一條路徑可走，如果其中任一條出現(xiàn)故障或損壞，則DCM1 無法與其進行數據通信。而當DCM2 也被枚舉過后，從DCM1 到達GPM1 就有以下幾條路徑可走：1）DCM1—＞GPM1，2）DCM1—＞DCM2—＞GPM1，3）DCM1—＞GPM2—＞DCM2—＞GPM1。而從DCM1 到GPM2 也是有以下幾條路徑可以走1）DCM1—＞GPM2，2）DCM1—＞DCM2—＞GPM2，3）DCM1—＞GPM1—＞DCM2—＞GPM2。通過對DCM2 的冗余枚舉實現(xiàn)了系統(tǒng)在拓撲結構上通信路徑的冗余機制。需要注意的是通信路徑冗余僅在DCM1 作為通信主機時才具備條件實現(xiàn)，當DCM1 出現(xiàn)故障交權給DCM2 后，上述多條路徑則不再存在，僅保留DCM2—＞GPM1 和DCM2—＞GPM2 兩條路徑。

5 系統(tǒng)復位與邊界處理設計

本系統(tǒng)常態(tài)工作狀態(tài)下只有一個RapidIO 通信主機，系統(tǒng)的各個路由信息是存儲在交換機的相應端口寄存器中，沒有外置存儲器，所以掉電或復位后路由信息將會丟失。在系統(tǒng)實際運行中，苛求系統(tǒng)不產生復位的情況是不可能的，也是不切實際的，為了提高系統(tǒng)的健壯性就必須解決系統(tǒng)復位問題，這里的復位問題主要指主機熱復位問題，是指主機在已經完成對RapidIO 交換網絡進行枚舉工作后，因為各種因而引起的系統(tǒng)復位問題（不包括RapidIO 通信從機的復位問題，RapidIO 通信從機復位后則必須強制通信主機對其再次進行枚舉）。

出現(xiàn)復位情況的處理與上電時通信主機對整個系統(tǒng)進行枚舉的情況是有差異的，因為此時系統(tǒng)內部各個RapidIO 通信從機都已被鎖定，此時適應于先前初始化的鎖定判斷條件就不再適用于這種情況，而且需要考慮的是這種復位后的處理也要適用于目前系統(tǒng)的各種類型拓撲結構。本文通過改變枚舉初始化流程，預先讀取交換機和設備鎖定狀態(tài)寄存器，判斷設備鎖定狀態(tài)，根據不同狀態(tài)執(zhí)行相應鎖定或解鎖操作，若為解鎖操作，則結合需鎖定值與已寫入值進行比較判斷，如果此次需鎖定的值與交換機已經寫入的鎖定值是一致的，則認為這是主機復位后再次對其進行枚舉。

因為枚舉策略采用遞歸調用方式，本文通過結合交換機固定端口號、已分配的設備ID 值大小以及目前所處于哪一級交換處理例程中進行進行邊界條件判定。重點解決各種可能出現(xiàn)的組合情況下分級遞歸遍歷邊界條件的設置，并根據不同的層級架構設定相應地邊界判別條件作為終止循環(huán)條件，避免對已經遍歷過的目標設別再次進行枚舉導致總線枚舉故障。

6 結論

本文所設計RapidIO 總線顯示器通信系統(tǒng)，解決了顯示器產品中RapidIO 總線交換組網及系統(tǒng)冗余備份技術。隨著航空系統(tǒng)的發(fā)展，作為標準的高速串行板級互聯(lián)技術，RapidIO 必將得到越來越廣泛的應用，而基于RapidIO 總線組網問題更是實際應用中不可避免的，系統(tǒng)的研制為后續(xù)各種組網應用提供了堅實的基礎，改變了以往數據通信單主機模式，極大地提高了航空顯示器系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。