DSP6678 RapidIO基本原理之二——RapidIO协议结构及包格式

一、RapidIO协议结构及包格式
为了满足灵活性和可扩展性的要求，RapidIO协议分为三层：逻辑层、传输层和物理层。下图说明了RapidIO协议的分层结构。

逻辑层定义了操作协议；传输层定义了包交换、路由和寻址机制；物理层定义了电气特性、链路控制和纠错重传等。
像以太网一样，RapidIO也是基于包交换的互连技术。RapidIO包由包头、可选的载荷数据和16bits CRC校验组成。包头的长度因为包类型不同可能是十几到二十几个字节。每包的载荷数据长度不超过256字节，这有利于减少传输时延，简化硬件实现。

二、逻辑层协议
      逻辑层定义了操作协议和相应的包格式。RapidIO支持的逻辑层业务主要是：直接IO/DMA （Direct IO/Direct Memory Access）和消息传递（Message Passing）。
      直接IO/DMA模式是最简单实用的传输方式，其前提是主设备知道被访问端的存储器映射。在这种模式下，主设备可以直接读写从设备的存储器。直接IO/DMA在被访问端的功能往往完全由硬件实现，所以被访问的器件不会有任何软件负担。从功能上讲，这一特点和德州仪器DSP的传统的主机接口(HPI, Host Port Interface)类似。但和HPI口相比，SRIO（Serial RapidIO）带宽大，管脚少，传输方式更灵活。
      对上层应用来说，发起直接IO/DMA传输主要需提供以下参数：目标器件ID、数据长度、数据在目标器件存储器中的地址。

直接IO/DMA模式又可进一步分为以下几种传输格式：
      1、NWRITE: 写操作，不要求接收端响应。
      2、NWRITE_R: 带响应的NWRITE（NWRITE with Response），要求接收端响应。
      3、SWRITE：流写（Stream Write），数据长度必须是8字节的整数倍，不要求接收端响应。
      4、NREAD: 读操作。

SWRITE是最高效的传输格式；带响应的写操作或读操作效率则较低，一般只能达到不带响应的传输的效率的一半。
消息传递（Message Passing）模式则类似于以太网的传输方式，它不要求主设备知道被访问设备的存储器状况。数据在被访问设备中的位置则由邮箱号（类似于以太网协议中的端口号）确定。从设备根据接收到的包的邮箱号把数据保存到对应的缓冲区，这一过程往往无法完全由硬件实现，而需要软件协助，所以会带来一些软件负担。
对上层应用来说，发起消息传递主要需提供以下参数：目标器件ID、数据长度、邮箱号。

下表对直接IO/DMA和消息传递进行了对比：
                                                      直接IO/DMA       消息传递
      主机可直接访问从机存储器？             可以                不可以
      主机需要知道从机存储器映射？          需要                不需要
      数据寻址方式                               存储器地址          邮箱号
      支持的数据访问方式                         读/写                   写
      从机软件负担                                     无                      有

三、传输层协议
      RapidIO是基于包交换的互连技术，传输层定义了包交换的路由和寻址机制。
      RapidIO网络主要由两种器件，终端器件（End Point）和交换器件（Switch）组成。终端器件是数据包的源或目的地，不同的终端器件以器件ID来区分。RapidIO支持8 bits 或 16 bits器件ID，因此一个RapidIO网络最多可容纳256或65536个终端器件。与以太网类似，RapidIO也支持广播或组播，每个终端器件除了独有的器件ID外，还可配置广播或组播ID。交换器件根据包的目标器件ID进行包的转发，交换器件本身没有器件ID。
      RapidIO的互连拓扑结构非常灵活，除了通过交换器件外，两个终端器件也可直接互连。

四、物理层协议
      RapidIO 1.x 协议定义了以下两种物理层接口标准：
      1、8/16 并行LVDS协议
      2、1x/4x 串行协议 (SRIO)

并行RapidIO由于信号线较多（40～76）难以得到广泛的应用，而1x/4x串行RapidIO仅4或16个信号线，逐渐成为主流，所以本文仅介绍串行RapidIO。
      串行RapidIO基于现在已广泛用于背板互连的SerDes（Serialize Deserialize）技术，它采用差分交流耦合信号。差分交流耦合信号具有抗干扰强、速率高、传输距离较远等优点。
      为了支持全双工传输，串行RapidIO收发信号是独立的，所以每一个串行RapidIO口由4根信号线组成。标准的1x/4x 串行RapidIO接口，支持四个口，共16根信号线。这四个口可被用作独立的接口传输不同的数据；也可合并在一起当作一个接口使用，以提高单一接口的吞吐量。
      DSP6678上集成了标准的1x/4x串行RapidIO接口，如下图所示。

发送时，逻辑层和传输层将组好的包经过CRC编码后被送到物理层的FIFO中，“8b/10b编码”模块将每8bit数据编码成10bits数据，“并/串转换”模块将10bits并行数据转换成串行bits，发送模块把数字bit转换成差分交流耦合信号在信号线上发送出去。这里的8b/10编码的主要作用是：
      1、保证信号有足够的跳变，以便于接收方恢复时钟。串行RapidIO没有专门的时钟信号线，接收端靠数据信号的跳变恢复时钟。所以需要把信号跳变少的8bits数据(如全0或全1)编码成有一定跳变的10bits数据。另外，也使得总体数据中0和1的个数均衡，以消除直流分量，保证交流耦合特性；
      2、8b/10编码可扩大符号空间，以承载带内控制符号。10bits能表示1024个符号，其中256个表示有效的8bits数据，剩下的符号中的几十个被用作控制符号。控制符号可被用作包分隔符，响应标志，或用于链路初始化，链路控制等功能；
      3、8b/10编码能实现一定的检错功能。1024个符号中，除了256个有效数据符号和几十个控制符号外，其它符号都是非法的，接收方收到非法符号则表示链路传输出错。

接收的过程则正好相反，首先接收方需要根据数据信号的跳变恢复时钟，用这个时钟采样串行信号，将串行信号转换为10bits的并行信号，再按8b/10b编码规则解码得到8bits数据，最后做CRC校验并送上层处理。
数据被正确的接收时，接收端会发送一个ACK响应包给发送端；如果数据不正确（CRC错或非法的10bits符号），则会送NACK包，要求发送方重传。这种重传纠错的功能由物理层完成，而物理层功能往往由硬件实现，所以不需要软件干预。

本文参考http://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=50741

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