一种提高RapidIO节点在网成功率的方法.pdf

-99-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期三星推荐图 1 所示，基于采用交换芯片互联的嵌入式系统是目前大型综合化电子信息系统使用的典型应用。如图 2 所示，展示了五个节点器件通过两个交换芯片进行互连组成的小系统。系统内数据通信流程一般如下。系统中选中 5 节点芯片作为 Host 节点，系统上电后Host 节点作为管理节点通过 RapidIO 维护操作访问邻接交换芯片，并为其分配RapidIO ID，同时配置该交换芯片路由。Host 节点采用 RapidIO 维护操作采用深度优先遍历算法，扫描按照流程 1 方式扫描整个拓扑，为全部交换芯片配置 RapidIO ID 以及路由信息；同时为节点器件分配RapidIO ID。节点 1 如发送数据至节点 3，只需要知道节点 3 的 ID，即可调用底层发送函数发送。由上述流程通信可知。系统内的节点数据通信前提是 RapidIO 网络中的节点在线即被 Host 节点成功分配RapidIO ID，因此 RapidIO 节点在网成功率对 RapidIO 网络至关重要。系统上电完成后，各节点与交换芯片会开展物理链路层面的协商操作，主机节点通过已规划好的路由拓扑信息，采用维护操作，配置好系统内所有节点的 ID 及路由信息。如果一切正常，节点就可以加入到 RapidIO 网络中，与其他网络进行通信。然而，在多节点 RapidIO 网络系统中，网络系统复杂，尤其是引入国产交换芯片的状况下，常常遇到节点访问失败的问题。大多是由于节点与交换芯片之间的协商失败，或者节点状态不佳甚至未知原因退网所导致。本文提供一种提高 RapidIO 节点在网成功率的方法。该方法解决了多节点 RapidIO 网络系统中节点在网率不高的技术问题，通过三级防护策略提高了 RapidIO 节点在网成功率。防护策略流程本论文方法是通过三级防护来提高了 RapidIO 节点在行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种提高 RapidIO 节点在网成功率的方法韩永青韩永青中国电子科技集团公司第十研究所韩永青（1986），女，硕士研究生。研究方向：信号处理及嵌入式软件。图 1 RapidIO 典型使用原理框图RapidIO 网络构架是一种基于高性能包交换的互连技术，由于其高带宽、低延迟以及灵活的拓扑结构和传输能力，使得它在嵌入式系统中得到广泛应用。RapidIO 网络可作为嵌入式系统的内部连接，主要是完成在一个系统内的 DSP信号处理器、微处理器、CPU 通信处理器、存储器以及外设之间高速的数据传输。RapidIO 网络主要包括两种类型器件：节点器件和交换器件。节点器件是数据包的源或目的地器件，不同的节点器件以器件 RapidIO ID 来区分。RapidIO 使用器件 Rapid IO ID 唯一地识别组成一个 RapidIO 系统的所有器件。在此基础上，RapidIO 相较于 PCIE 总线采用的单一的 PCI 树结构，其拥有较大优势几乎可以支持任何系统拓扑结构，如中国科技信息 2024 年第 9 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-100-三星推荐将结果上报给系统，等待系统下一步指示。如果 Serdes 配置成功，则将端口的速率重新配置为与对端端口一致。至此，初始化交换芯片工作完成。基于 RapidIO 节点健康监测的第二级防护操作参阅图 5。系统上电运行后，在 Host 节点模块启动一个 RapidIO 节点健康监测任务，通过及时检测 RapidIO 交换芯片所有端口的 RIO Port Error and Status CSR 寄存器来判断 RapidIO 节点在线状态，寄存器参阅图 6。若第一次检测到端口状态不佳，对 RapidIO 交换芯片状态不佳的端口的 0 x158 寄存器重新写值 0 x88000000，然后继续执行检测任务；若第二次检测到端口状态不佳，则对 RapidIO 交换芯片状态不佳的端口进行端口复位，通过 Device Reset and Control Registerde 的 PORT_SEL 位选择对应异常端口进行复位操作，寄存器参阅图7。若第三次端口状态不佳，Host 节点向 RapidIO 交换芯片状态不佳的端口的对端节点发复位指令，然后对交换芯片执行端口复位操作。如果三次操作后仍旧不能恢复交换芯片端口状态，向 Host 节点返回失败结果。这个防护操作有效的降低了系统运行过程中，RapidIO网络系统内某些节点状态不佳，错误累积后直接退网的概率。将在网状态不佳的节点恢复后，进一步提高了 RapidIO 节点在网成功率。基于系统控制总线协助的意外退网节点快速复位再入网的第三级防护系统运行时，偶尔会因为系统内电源或其他程序异常图 2 RapidIO 节点通信框图图 3 国产交换芯片初始化代码图图 4 初始化交换芯片工作流程图 5 检测交换芯片状态流程网成功率。三级防护分别如下。基于优化交换芯片配置的第一级防护；基于 RapidIO 节点健康监测的第二级防护；基于系统控制总线协助的意外退网节点快速复位再入网的第三级防护。基于优化交换芯片配置的第一级防护操作系统上电后，交换芯片端口和对端节点物理层协商建链：主要包括通道同步、IDLE 序列协商、端口宽度协商、状态控制符交换、PORT_OK 置位等，一切正常最终会建立链接成功。当系统内节点数量较多尤其引入国产交换芯片之后，协商建立链接成功率降低，需要 Serdes 端口采取如错误状态清除、预加重、去加重等一系列寄存器配置才能稳定工作。这对系统内部 RapidIO 节点上电时序要求十分严苛，如果系统内交换芯片暂未完成 Serdes 端口配置，对端节点已上电并与交换芯片端口开始协商建链，此时有概率性导致链路协商失败并无法恢复。故需要优化交换芯片配置逻辑试图解决这类问题。参阅图 4。在系统内，根据拓扑图的规划，Host 节点对 RapidIO 交换芯片进行初始化配置时，先设置为与对端RapidIO 节点不一致的速率，如系统工作在 5Gbps，交换芯片其对于端口可将速率设置为 2.5G，然后进行 Serdes配置，如果配置失败，则再次进行配置，考虑到系统初始化的效率，对Serdes配置操作最多操作三次，如果仍旧不成功，-101-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 9 期三星推荐等原因导致节点异常退网。Host 节点在后台会维护一个RapidIO 总线实时监测任务，此任务可以自动记录节点的运行日志，并据据系统总线的操作，记录系统实时运行状态，Host 节点会根据节点类型和节点的连接关系，计算出节点掉线对系统的影响因子，该因子是系统进行决策的重要依据。当 Host 节点收到 RapidIO 交换芯片提供的一种事件通知维护包：port-write 包，根据系统控制总线反馈的状态判断当前节点退网是否是异常状态，如果是异常退网采取动态入网策略，通过系统控制总线发送动态重构指令，复位该节点并重新加载程序后再次入网，此为基于系统控制总线协助的意外退网点快速复位再入网的第三级防护。通过第三极防护，进一步恢复交换芯片端口状态，顺利将节点在网。工程应用本文提到的一种提高 RapidIO 节点在网成功率方法在某综合化系统中得到了应用，该系统采用国产 NMS1800 交换芯片实现 RapidIO 高速数据交换，所有 RapidIO 端节点互连互通。NMS1800 是一款低时延、含 18 个端口和 48 个通道的 RapidIO Gen2 交换芯片，它支持高达 240Gbps的吞吐量。系统拓扑图如图 8 所示。综合化电子信息系统主要包括通用数据处理模块（DPM）、通用信号处理模块（SPM）、单元控制模块（RCM）、IO 模块、时频模块等构成一张大 RapidIO 交换网络拓扑。其中 Host 节点模块使用了 ZYNQ 芯片，其 ARM 核和FPGA 逻辑资源，通过内部总线连接，采用 ARM 外接 I2C总线接口与 NMS1800 交换芯片相连。该模块上其中一片RapidIO 交换网络拓扑如图 9 所示，ZYNQ 通过 I2C 接口对 NMS1800 芯片进行配置。综合化电子信息系统初始化时，Host 节点对交换芯片进行初始化配置，根据已知的拓扑关系以及速率信息对交换芯片端口分别配置与对端节点不匹配的速率，然后进行Serdes 配置，再次将各端口配置为与对端 RapidIO 节点匹配的速率，最后等待端口两端进行建链。Host 节点定期主动检测交换芯片端口状态，并根据检测结果对状态不稳定的端口进行上节中的处理。在系统运行阶段，Host 节点在后台任务中，会对 RapidIO 交换芯片上报的 port-write 包进行相应处理，及时将退网的节点恢复为在网状态。为了不影响 Host 节点模块功能运行，实验过程中，将初始化时对异常端口的复位操作设置为不超过三次，将周期查询交换芯片设置为 1s，对异常退网的动态重构上限设置为两次。采用本文提供的方法在大规模系统中应用实验结果表1 所示，相比传统交换芯片管理的方法，系统 RapidIO 节点数量越高基于本文提供的方法优势越明显，即节点在网成功率更高。表 1 系统 RapidIO 节点在网成功率对比系统 RapidIO 节点数量节点在网成功率不做策略一级防护二级防护三级防护1090%98%99%100%2085%95%97%100%5079%92%95%100%10071%91%94%100%20070%90%93%100%结语提出了一种基于三级防护策略提高RapidIO节点在网成功率的方法，解决了复杂使用场景中因 RapidIO 节点在网率不高导致的 RapidIO 通信失败的技术问题，具有高可靠性的优点。此方法在大规模综合化系统中实践应用，在 RapidIO网络节点较多的情况下，提高节点在网率，RapidIO 通信质量得到保障。应用实践证明该方法是一种高可靠的方案。图 9 一片交换网络拓扑图 8 系统拓扑图图 7 DeviceResetandControlRegisterde图 6 RIOPortErrorandStatusCSR 寄存器