Rapid IO---成就高速互連之美

每一個(gè)數據包都會(huì )被物理層附加上一個(gè)或兩個(gè)16bit的CRC字段，用于接收方判斷接收到的數據包的完整性，小于80個(gè)字節的數據包只有一個(gè)CRC，大于80個(gè)字節的數據包除了在第80個(gè)字節后有第一個(gè)CRC字段后，還會(huì )在包的末尾再加上一個(gè)CRC字段，實(shí)現數據包的檢錯，自動(dòng)糾錯和自動(dòng)重傳的功能，保證數據包被對端完整正確的接收。第一個(gè)CRC字段可用于對大數據包包頭的驗證，這樣就可以在整個(gè)數據包被接收下來(lái)之前就可以進(jìn)行對數據包的處理，交換器的直通模式就是利用了這個(gè)特性，這樣可以有效減少傳送時(shí)延。ACKID并不包括在CRC的計算范圍內，這幾個(gè)bit位在計算CRC時(shí)用0代替，這樣就保證了在每一個(gè)鏈路上CRC無(wú)須被重新計算，當然如果HOP＿COUNT字節有變化時(shí)，CRC還是需要重新計算的。

傳輸層：

Rapid IO的第二層是傳輸層，實(shí)現Rapid IO數據包的路由、傳送。所有的邏輯層協(xié)議均使用單一的傳輸層實(shí)體來(lái)實(shí)現，這樣無(wú)論邏輯層怎么變化，或是采用何種方式來(lái)封裝應用，都可以用單一的傳輸層實(shí)體來(lái)實(shí)現，即使有新的邏輯層規范出現，也可以用這個(gè)單一的傳輸層來(lái)實(shí)現。

Rapid IO的路由和交換是通過(guò)每個(gè)終端設備的ID號來(lái)實(shí)現的。每一個(gè)終端都會(huì )分配一個(gè)唯一的ID號，當一個(gè)終端發(fā)出一個(gè)數據包時(shí)，在它的包頭中包含有目的終端的ID號和發(fā)送源端的ID號。每一個(gè)交換器在它的每一個(gè)端口上都有一個(gè)交換路由表，根據此表就可以決定此數據包由那一個(gè)端口送出。每個(gè)端口的路由表需要在系統初始化時(shí)進(jìn)行配置，這與以太網(wǎng)相比，顯得不是非常的靈活和智能，但正是如此，使得系統的路由實(shí)現變得非常簡(jiǎn)單。同樣對于組播功能的實(shí)現也變得簡(jiǎn)單，只是由單一的傳輸層就可以實(shí)現了。

Rapid IO系統構成如左圖，包括兩類(lèi)器件，一個(gè)是終端，產(chǎn)生數據包和接收數據包；另一類(lèi)是交換器，實(shí)現數據包在各個(gè)端點(diǎn)間的路由和傳送，且不對數據包做解釋。

Rapid IO的傳輸層包頭中的另一個(gè)字節是HOP_COUNT，是用來(lái)實(shí)現終端對交換器的初始化和路由配置，Rapid IO交換器的配置可以用任一個(gè)與之相連的終端進(jìn)行配置，當交換器收到一個(gè)數據包時(shí)，它會(huì )首先判斷收到包的HOP_COUNT值，如果此值是0則由此交換器終結此數據包，交換器利用此數據包的數據進(jìn)行讀寫(xiě)操作；如果此值不是0，則交換器將此值減一，然后按照目的ID值查路由表進(jìn)行轉發(fā)。如果是要對級連的多個(gè)交換器進(jìn)行配置，可以在發(fā)送這些維護包時(shí)設置HOP_COUNT為0,1，2等對與之相連的第一個(gè)交換器，第二個(gè)交換器以及第三個(gè)交換器，以此類(lèi)推。

邏輯層：

在Rapid IO的體系結構中定義了6種基本操作，用來(lái)執行相應操作的事務(wù)和對操作的描述。這6種操作包括：NREAD（讀），NWRITE（寫(xiě)），NWRITE_R(寫(xiě)操作，但操作結束前需要等等一個(gè)響應)；SWRITE（流寫(xiě)，面向大數據量DMA傳送）；Atomic（原子操作：讀－修改－寫(xiě)）；Maintenance（維護包，以Rapid IO專(zhuān)用寄存器為目標的事務(wù)，如：系統發(fā)現，初始化、配置以及系統維護）。

在消息傳遞系統中，經(jīng)常使用兩種機制將命令或數據從一個(gè)器件到另一個(gè)器件，一個(gè)是DMA（直接內存訪(fǎng)問(wèn)），另一個(gè)是messaging(消息)。使用消息傳送時(shí)，發(fā)送端只須訪(fǎng)問(wèn)目標，而不需要象DMA方式那樣，還需對目標的地址空間的可見(jiàn)性。

Rapid IO定義了兩種不同的包格式用于消息事務(wù)，第10類(lèi)包格式（door bell）和第11類(lèi)包格式，doorbell非常適合傳送8bit或16bit短信息，可以用于處理器的中斷等。第11類(lèi)消息數據所最大的載荷是4096字節，可以由16個(gè)消息事務(wù)組成，每個(gè)最大載荷是256字節。Rapid IO可以支持4個(gè)訊息信箱（mailbox），每個(gè)信箱可以最多裝入4個(gè)信件，這樣發(fā)送方可以同時(shí)發(fā)送4個(gè)信件到同一個(gè)目標信箱。

除此，Rapid IO也具備Data Streaming的邏輯層協(xié)議，為封裝和傳輸通過(guò)Rapid IO交換器的數據流提供一種標準方法。支持獨立流事務(wù)，通過(guò)SAR功能支持長(cháng)度可變的PDU，且與內部的PDU協(xié)議無(wú)關(guān)，提供對虛擬流識別功能；Rapid IO流是由源ID、目的ID與傳送鏈路組成的邏輯結構，為了支持固定、較小的包長(cháng)，必須對較長(cháng)PDU分段處理，數據流支持分段傳輸以及重組還原操作，在段落類(lèi)型上主要有：開(kāi)始（Start）、繼續（Continuation）和結束（End）, 當然可能會(huì )有多個(gè)繼續段。虛擬流被定義為協(xié)議數據單元定序集，可以對各個(gè)數據流進(jìn)行識別，在輸入輸出器件對之間可以只存在一個(gè)單獨的流，系統也可以為每一用戶(hù)和流量類(lèi)型的組合分配一個(gè)單獨的流，使用虛擬流標識最多可標識四百萬(wàn)個(gè)流，特定的流量級別可以提供基于優(yōu)先級、延遲和吞吐率等因素的流量商定，可以根據中最高位的優(yōu)先次序處理交換結構中的流量。

流量控制是任何互連技術(shù)的重要內容，Rapid IO提供了鏈路級的流量控制和端到端的流量控制兩種方式，由于業(yè)務(wù)流與物理連接和系統拓樸結構相關(guān)，規定流量控制為Rapid IO物理層規范的內容，同時(shí)定義了重傳、限速和基于信用三種流控方式，保證Rapid IO數據流的正確傳送。除了鏈路級的流量控制處，同時(shí)Rapid IO也定義了端到端的流量控制機制，鏈路級流控管理緊相連的兩個(gè)器件，但對于來(lái)自多個(gè)源，發(fā)往同一個(gè)或多個(gè)目的地的流量會(huì )很大程度上降低系統的性能，端到端的流量控制使用由交換或是端點(diǎn)器件產(chǎn)生的特殊擁塞包來(lái)控制流量，通過(guò)交換器件將擁塞控制包傳回到源端，源端可根據收到的控制包暫停發(fā)送數據包一定時(shí)間，通過(guò)限制源頭流量來(lái)達到流量控制的目的。單一的Rapid IO傳輸層結構使得擁塞數據控制包的傳送變得非常簡(jiǎn)單，交換結構只是把他當作普通數據包進(jìn)行傳送，但包的優(yōu)先級可能不同。

三、 Rapid IO在高速系統設計中的應用

目前，Rapid IO在無(wú)線(xiàn)基站系統中已經(jīng)得到了廣泛的應用，同樣在視頻處理，語(yǔ)音處理，高性能計算機及存儲領(lǐng)域也會(huì )得到越來(lái)越多的應用。在實(shí)現芯片到芯片之間、板與板之間的高速互連上，Rapid IO所能帶來(lái)的好處也越來(lái)越直觀(guān)，對于簡(jiǎn)化系統設計、高帶寬、低延時(shí)等特點(diǎn)也被開(kāi)發(fā)人員廣泛接受。

下一代的Rapid IO在應用上也要向機箱與機箱間的高速互連方向上發(fā)展，同時(shí)也會(huì )提供更高的傳輸速率，2.0規范中已經(jīng)可以實(shí)現40Gbps的帶寬。我們相信，隨著(zhù)越來(lái)越多的處理器支持Rapid IO接口，Rapid IO的應用前景會(huì )越來(lái)越光明。

作者簡(jiǎn)介：
姓名：裴濟杰
工作單位：加拿大騰華半導體上海代表處
職務(wù)：資深技術(shù)支持工程
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