利用RapidIO技术搭建的可重构信号处理平台

文章摘要：在雷达、声纳、电子对抗等军用电子设备中，数字信号处理机作为实现信号处理算法的平台，起着至关重要的作用。在传统的信号处理平台中，军事领域多选用ADI公司的TigerShark系列的DSP芯片作为信号处理单元，在PCB的板内和板间采用高速的LINK口进行互联。 LINK口是一种源同步接口，可以达到很高的传输速度。但是，由于LINK口是基于电路交换的接口，连接的双方独占一条通路，LINK口一旦在硬件上连接起来，系统中的DSP网络拓扑就固定不变了。由于信号处理算法的多样性，系统中数据流的方向也很不确定，固定的DSP拓扑网络只能针对一定的算法达到最优，当数据流方向改变较大时，同样的信号处理平台的传

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在雷达、声纳、电子对抗等军用电子设备中，数字信号处理机作为实现信号处理算法的平台，起着至关重要的作用。在传统的信号处理平台中，军事领域多选用ADI公司的TigerShark系列的DSP芯片作为信号处理单元，在PCB的板内和板间采用高速的LINK口进行互联。
    LINK口是一种源同步接口，可以达到很高的传输速度。但是，由于LINK口是基于电路交换的接口，连接的双方独占一条通路，LINK口一旦在硬件上连接起来，系统中的DSP网络拓扑就固定不变了。由于信号处理算法的多样性，系统中数据流的方向也很不确定，固定的DSP拓扑网络只能针对一定的算法达到最优，当数据流方向改变较大时，同样的信号处理平台的传输效率就会大大降低。这时，如果能够重新调整DSP网络的拓扑结构，会大大提高平台的性能。
    为了实现系统可重构的特性，需要利用专门的FPGA芯片，将基于电路交换的LINK口转换成基于(带有路由信息的)包交换的其他格式的接口进行传输。现在比较流行的基于包交换的接口有串行 RapidIO接口、 PCI Express接口和千兆以太网接口等。
    串行RapidIO、PCI Express和千兆以太网技术都可以提供高速、可靠的点对点互联。串行RapidIO技术是专门为嵌入式系统互联而设计的，只要有足够多的交换机，就可以实现任意结构的拓扑。PCI Express技术是着眼于最大的兼容PCI总线技术而设计，为了能够兼容传统的PCI总线技术，PCI Express的拓扑结构只能是树形结构。这种结构在PC机和服务器内非常适用，如果合适的话，也能用在嵌入式系统内。但在PCI Express的结构中除了要有交换机，还需要有一个根联合体来做统一的管理，这增加了硬件的开销。千兆以太网技术是百兆以太网技术的升级，最初用于局域网内和广域网内的互联，是非常可靠的互联选择。但千兆以太网技术较前2种技术的效率稍低，而且系统延时较大，不太适合实时嵌入式系统内部的互联。在这3种技术中，串行RapidIO技术是在嵌入式系统内实现互联的最佳选择[1]。
1 RapidIO技术
    RapidIO是一种高性能、低引脚数、基于包交换的系统级互联协议，是专门为多种多样的嵌入式系统互联而建立的一种标准[1]。RapidIO接口主要适用于芯片到芯片和电路板到电路板之间的连接。在2008年3月由RapidIO组织公布的2.0版本的规范中，串行RapidIO链路可以支持每路1.25、2.5、3.125、5、6.25 GBaud的传输速率[2](1，2，2.5，4，5 Gb/s的有效数据率)。现在FPGA的IP核能够支持的主流配置是x1或x4的链路，每路支持2.5 Gb/s或3.125 Gb/s的传输速率。因此，如果采用x4的链路和3.125 Gb/s传输速率，就可以达到双向各12.5 Gb/s的带宽。另外，RapidIO也提供了较高级别的错误管理和错误恢复机制，是一种比较稳定和可靠的互联选择[3]。
2 系统结构设计
2.1 板卡内DSP的连接结构
    DSP板是信号处理系统中最基本的组成模块，它的结构固定不变。本文选择ADI公司的TS201系列芯片。每块TS201芯片带有4个高速LINK口，其中3个LINK口用于板卡内DSP之间的连接，1个LINK口用来通过FPGA进行协议转换，转成串行RapidIO接口，实现与其他板卡之间的连接。板卡上共采用6块TS201芯片，其拓扑结构如图1所示。图中虚线部分表示DSP芯片之间的LINK口连接，实线部分表示DSP与FPGA的LINK口连接。

    这种拓扑结构能够达到板卡内DSP之间较高的传输速度，因为每个DSP直接或最多经过一次中转就能与板上任意其他的DSP进行通信。

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