VPX总线及产品介绍

VPX总线及产品介绍1VPX系统技术特点本系统基于当前最新的高速串行总线：VPX总线，结合PowerPC处理器强大的信号处理与协同运算功能，组建高性能并行计算平台。xmlnamespaceprefix=ons=urn:schemas-microsoft-com:office:office/VPX总线系统包括：VPX信号处理板（VPX-460）,VPX单板计算机（VPX-SIC1100）,5槽VPX机箱。本系统的计算引擎由一块VPX单板计算机与一块VPX信号处理板组成，包含4个PowerPC8641D处理器，1个PowerPC8640D处理器，每个处理器含2个e600核，这样由10颗处理器核共同构成并行计算平台。8641D处理器的e600内核和Altivec单元基于7448处理器设计，提供1MB的2级缓存。用户现有的C，汇编和Altivec代码不需要任何修改就可以运行。1GHz双核版本的8641D可以提供高达16GFLOPS的计算能力。本系统包含5个PowerPC处理器，系统峰值运算能力可以达到80GFlops。VPX系统采用Vxworks嵌入式实时操作系统，任务管理与调度时间可以控制到毫秒甚至微妙级，这从根本上保证了系统的实时处理。2VPX总线介绍本系统采用的VPX总线，是高速串行总线技术的最新标准，代表了目前总线技术的发展方向。2.1应用串行总线的必要性PCI/CPCI和VME是当前应用最为广泛的工业总线标准，这两种总线都属于并行总线，其主要特点为：采用多条信号线分别传输数据、地址及控制信号；统一总线段上所有设备分时共享总线带宽。此种并行传输技术曾经是提高数据传输率的主要手段，但是，进一步发展却遇到了障碍。首先，由于并行传送方式的前提是用同一时序传播信号，用同一时序接收信号，而过分提升时钟频率将难以让数据传送的时序与时钟合拍，布线长度稍有差异，数据就会以与时钟不同的时序送达。另外，提升时钟频率还容易引起信号线间的相互干扰，导致传输错误。因此，并行传输方式难以实现高速化。第三，从制造成本的角度来说，增加位宽无疑会导致PCB板上的布线数目与PCB层数随之增加，成本随之攀升。基于以上因素，近几年串行传输技术引起各界的高度重视，许多国际组织相继制定了多种串行总线标准并且有相应产品面世。下图形象的表示了总线技术的发展历程，及各种总线的带宽性能：图1：总线技术的发展历程从图1中可以看出，VPX总线代表串行总线的最高水平，以下简要介绍这种总线技术。2.2VPX总线简介VPX(VITA46)标准是自从VME引入后的25年来，对于VME总线架构的最重大也是最重要的改进。它增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。VPX总线采用高速串行总线替代并行总线是其最主要变化。VPX支持RapidIO、PCIE和AdvancedSwitchingInterconnect等现代的工业标准的串行交换结构，来支持更高的背板带宽。这些高速串行交换可以提供每个差分对250MBytes/sec的数据传输率，1个信道最高1GBytes/sec的理论速率。VPX的核心交换提供32个差分对，组成4个×4的信道端口，每个信道都是双向的（一发送差分对儿，一接收差分儿）。VPX总线的理论合计带宽为8GB/sec。VPX接插件VPX采用了由Tyco公司开发的MultiGigRT2连接器，如下图所示：图2：VPX模块用MultiGigRT2连接器该连接器内含可控阻抗，低插入损耗，在最高6.25Gbaud下，串扰小于3%。Tyco公司生产的独特的新7排RT2连接器，与级联块和定位键一起，实现VITA46模块和背板配合。VITA46选择RT2连接器，成功解决了以下问题：?连接器可以发送信号至少5Gbits/sec?连接器提供充足的I/O，适应现代主卡上日益增加的功能。?连接器的尺寸满足VME标准长度，以便可以安装PMC模块，能够保证0.8英寸的板间距。?连接器足够牢固，这样在军事/航空系统的恶劣环境中才能应用。VPX模块插入和拔出力量与VME64X模块相近。这是因为虽然VITA46拥有更多的接触点，但是Tyco公司的MultiGigRT2连接器使得每个接触点压力降低而又能保证充分的接触。VITA46工作组对最终交付使用的VPX连接器，为VPX模块标准做了大量的测试认证。这些测试再现了一些最苛刻的环境测试，执行了板级标准。主要环境参数测试包括如下：?振动及颤动?温度?湿度?沙尘?静电保护VPX的I/O能力VPX拥有着更多的I/O能力，其数量几乎是VME64X类型卡的两倍。所有的I/O针都有千兆传输能力，最高到6.25Gig/Sec。并且有辅助的VITA48标准选择，使得每个插槽可以插更高功率的板子。与传统的VME技术比VPX的针脚数要多，一般的6UVPX模块可以提供：总共464个信号：64个信号，用于核心交换的32个高速差分对；104个信号，用于实现VME64；268个通用用户I/O，其中包括128个高速差分对儿；28个信号，用于作系统信号（重启，JTAG，寻址等）。下图表示了标准6UVPX模块提供的信号分布：图3：6UVPX模块I/O信号分布VPX的电源改进VPX改进了电源供电，连接器P0被设计为功能连接器。功能连接器连接电源，维护总线，和测试总线。P0连接器允许以下几种电源：48V@16A或者12V@32A，作为高功耗卡的主电源；5V@16A作为低功耗卡的主电源+12V@2A作为模拟以及PMC电压?12V@2A作为模拟和PMC电压3.3V@2A作为辅助电源使用从上看出，12V最高可达384W，48V最高可达768W。如此大功率的电源，允许VPX板子集成更多的功能。可选的更高的电压输入，可以减少背板的电流，降低重量和降低电磁兼容问题产生。VPX总线支持的串行传输协议1）SerialRapidIO协议：高速串行交换结构技术，正在多处理器信号处理应用例如雷达，声纳，自动目标识别等高性能数据传输扮演越来越重要的角色。SRIO有以下技术特点：每组包括一个发差分儿送及一个接收差分儿（称为一个信道）1.25,2.5,或者3.125Gb/s信号速率，每个信道单方向最高可以到312.5Mbytes/s每个SRIO链路可以有一个或者四个信道，单方向最高的理论数据速度为1.25Gbytes/s采用消息和门铃方式进行有效的处理器间通信。SRIO为点对点通信设计，支持寻址模型，支持消息传输等方式确保高效、快速的数据传输。串行RapidIO支持多处理器对等互连架构，这对构建并行计算平台是非常重要的。2）PCIExpress协议：PCIExpress协议普遍应用于商用桌面电脑，笔记本及服务器中。尤其近几年，PCIe开始移植到先进的单板计算机和数字信号处理器模块中，部署于军用及航空应用设计中。由于在PC市场的普及，使得低成本成为优势。它的主要特性包括：点对点通信：每个链接（点对点连接）可由1，2，4，8，16，或者32lane组成。每个lane由一个传输对和一个接收对组成，信号波特率为2.5Gband，理论上数据速率为每信道每方向250Mbytes/s，16信道合计数据速率达4Gbytes/s。当前PCIExpress协议主要应用在VITA42模块。VITA42（也称为XMC）是广泛应用在VME和CompactPCI系统中的PMC模块的升级。VITA42通过在PMC模块上增加两个高速接头，扩展了最初的PMC协议，VITA42.3补充协议定义了PCIe到新的XMC接头的映射。这样，遵循VITA42.3的子卡可以通过PCIe协议与主卡达到MultiGigabyte/s的交换速率。XMC规范已应用于诸如高解析度图像引擎和Gsample/秒模拟的数据采集模块等高级应用。3）1/10Gb以太网协议：以太网是目前最普遍的网络技术。几乎所有的网络通信的起始和终点都有以太网连接。这种商业领域广泛的应用正在影响军用市场。以太网未来的标准将会发展到背板上支持802.3ap(一个信道的1000Base,四个信道的10GBaseKX4以及一个信道的10GBaseKR)。新一代1/10GbE交换芯片将很快投入市场，每个口运行速度可以在1,2.5,5,和10Gb/s。它是一种高速网络的解决方案，足可以满足日益增长的苛刻应用需求。为了满足有效地在平台资源间传输音频，视频，控制及管理数据的需求，支持IPv4/v6的1/10Gbe提供了统一的方法来进行标准数据传输。2.3VPX总线典型架构VITA46.0规范推荐的系统拓扑架构如下图所示：图4：5槽VPX背板架构上图为一个5槽FullMesh架构的VPX系统，这种结构提供了分布式的网状交换系统，不会出现由于单独路径，或者某个模块的失效而导致系统瘫痪的情况。此外，网状拓扑的优势在于能够开发出更紧凑、占用更小空间的系统，因为不再需要中心交换槽了。图4右方展示4个×4信道端口互连各个模块。当每个信道运行在3.125Gbaud时，每个端口的双向带宽为2.5Gbps。3.VPX硬件技术参数3.1VPX信号处理板VPX6-460VPX6-460四PowerPC处理器板把FreeScale公司的最新的Altivec技术处理器和串行交换网络技术有机融合在一起，实现了VITA46标准——最新的军用航空、航天标准。基于VPX6-460的多处理器系统的4个串行RapidIO口可以提供双向10GB/sec的带宽。这个速度大约是传统的VME/StarFabric实现方式的10倍。3.1.1VPX6-460处理器节点VPX6-460包含4个FreeScalePowerPC8641D处理器。8641D封装了两个e600处理器内核，双DDR2内存控制器，支持ECC校验，1个串行RapidIO（SRIO）接口，1个PCIe接口。8641D处理器的e600内核和Altivec单元基于7448处理器设计的，提供1MB的2级缓存。用户现有的C，汇编和Altivec代码不需要任何修改就可以运行。1GHz双核版本的CHAMP-AV6可以提供高达64GFLOPS的计算能力。3.1.2板载互连架构VPX6-460利用串行RapidIO互联提供高性能的处理器间通信。利用8641本地SRIO接口，使得每个处理器拥有4-lane接口，每个lane同时可以拥有1.25Gbit/sec的传输和2.5Gbit/sec的发送带宽。TundraTSI578的8口交换桥片可以为供本地交换和背板上VPX核心交换连接器提供交换服务。多个处理板间也可以使用SRIO核心交换接口互联。VPX6-460支持的板载交换功能不需要借助外部扩展卡就可以构建多卡系统。下面的图是VPX6-460的框图：3.1.3串口VPX6-460提供4个EIA-232串口和2个EIA-422串口，每个处理器拥有1个EIA-232串口，这些串口利用8641DUART单元。EIA-232串口支持异步通信，每对儿使用1个发送信号和1个接收信号。所有4个串口同时被链接到前面板连接器和背板连接器。其中1个串口拥有DTR信号，该信号自动检测目标机是否链接中端，由此控制主卡的启动顺序。EIA-232串口支持最高115Kbaud。两个处理器节点（A和B）各自拥有1个EIA-422差分串口，该串口也是利用8641DUART单元。EIA-422串口支持异步通信，每对儿使用1个发送信号和1个接收信号。EIA-422被链接到背板连接器。3.1.4LVTTL离散数字I/OVPX6-460提供16个通用LVTTLI/O，这些LVTTL被映射到背板。每一位可以通过软件设置成输入，输出或者输入/输出。当所有位被配置成输入时，可以产生中断，中断可以通过软件设置成电平触发或者延触发。电平和跳变方向（例如高到低，或者低到高）都可检测到。3.1.5差分离散数字I/OVPX6-460独立的可以控制两路EIA-422驱动的输出，与EIA-422串行通道类似，该数字I/O拥有独立的串行控制器和寄存器，可以读取EIA-422接收端的状态。总共可以构成两路输入和两路输出。输入端可以配置成产生中断。当配置成离散差分I/O时