RapidIO在综合化CNI系统中的应用

顾生辉

(中国西南电子技术研究所，四川成都610036)

RapidIO在综合化CNI系统中的应用

顾生辉

(中国西南电子技术研究所，四川成都610036)

作为航空电子信息系统典型代表的CNI系统，采用了综合化、开放式的思想进行系统体系架构设计，本文介绍了RapidIO在CNI系统设计中的应用，对设计过程中的网络拓扑结构设计、速率和通信机制选择、传输设计的仿真验证手段、光纤RapidIO的应用等方面的内容进行了介绍，最后详细介绍了RapidIO网络的软件的设计。通过在CNI系统中的应用和试验验证，证明了RapidIO技术对于工程型号的实用性，这对后续型号工程化应用具有重要意义。

综合化航空电子信息系统RapidIO CNI

1 引言

近年来，综合化已经成为航空电子信息系统发展的一个主要趋势，其主要原因之一就是综合化是解决航电传感器体积、重量以及功耗问题的一个主要手段，而通信、导航、识别（简称CNI）系统与雷达、电子战、光电等子系统一样是综合化航空电子信息系统的重要组成子系统[1]，因此综合化的CNI系统设计也是CNI系统发展的一个主要方向。

对于综合化的航空电子信息系统设计来说，其系统体系架构的设计是至关重要的，合理的体系架构设计可以为系统带来可靠性指标的大幅提升、缩短系统研制周期、减少后期维护成本等多方面的好处。

在进行系统架构设计过程中，采用开放式的体系架构优势尤其明显，开放式的系统架构允许系统具备可扩展性、很容易插入或更新新的功能及技术,从而延长装备的寿命周期。其中，总线互连是高度集成、开放式系统的一个重要研究内容，一个系统是否具有开放性，在很大程度上取决于总线的性能[2]。

综合化的CNI系统设计正是采用这样一种开放式的系统架构，分别在结构、模块通用化、总线选型等方面遵循开放式的思想进行系统设计。

综合化CNI系统由天线及两个机架组成：一个综合射频机架和一个天线接口单元，在结构上均采用通用化、开放式的设计。所有的模块均采用LRM结构设计，大部分的模块采用通用化的类设计，类内可以实现任意互换。这种基于标准模块的设计，加上统一的总线接口设计，使得CNI系统具备了基于模块的动态资源配置、动态故障重构及冗余备份的能力。综合化CNI系统组成示意简图如下图1所示：

图1 综合化CNI系统组成示意简图

2 高速总线的选择

开放式的航空电子体系架构设计对总线提出了更高的要求，传统的航空总线，例如ARINC429、ARINC629、1553B总线等因为带宽受限等明显的缺陷，已经不能满足新的航空电子体系架构的需求，必须寻找一种高速的总线来满足开放式体系架构的需要。

总线技术本身的发展也存在一些规律，目前比较常用的高速总线基本都是属于串行总线技术，因为传统的并行总线技术发展到一定的阶段之后，其数据传输带宽的能力无法继续得到提升，因此主要的一些国际组织和企业均转向开发高速的串行总线技术，最为典型的就是PCI总线向PCIe总线的转变，其它的高速总线如速率为SATA、1394、Infiniband等无一例外的都是采用串行总线技术，使得传输速率达到Gbps的量级，这也主要得益于近年来高速收发器性能水平的迅速提升。

作为航空电子信息系统一部分的CNI子系统属于典型的嵌入式系统应用，系统互联要求同时具备芯片级互联、模块级互联、机架级互联的能力。但是某些总线从设计之初决定了只有在针对特定应用的时候才能发挥其最大的优势，例如SATA是为替换并行ATA而设计出来的高速串行接口设备接口，而Infiniband则主要是针对大规模网络存储的服务器接口。在对高速总线的芯片物理接口、支持的拓扑形式、编程模型等综合考虑后，初步选出高速串行总线中的RapidIO和PCIe比较适合CNI系统的要求，进一步进行比较后发现，RapidIO串行总线的小包的传输效率更高、允许更灵活的拓扑结构和多样的处理部件、更好的系统健壮性、更高效率的流控机制、更多级的服务质量和更强的错误管理机制，适用于高实时性、高可靠性的嵌入式系统的设计[3]。因此，最终选择RapidIO总线作为综合化CNI系统中的数据传输总线。

3 RapidIO网络的设计

RapidIO网络设计技术可以分为两方面的内容：总体设计技术和节点设计技术。总体设计技术主要对一些共性的的设计问题进行反复论证和设计，保证系统从整体上不会出颠覆性的问题，总体设计技术包括网络架构设计、网络速率和通信机制的选择、传输设计仿真、软件架构设计等方面内容。而节点设计技术主要侧重于节点的实现方式，包括交换节点和端节点的设计，更多的是一些设计细节的实现，典型的内容包括：模块类型划分、交换芯片和端接芯片的选择、模块内部架构设计和模块内部的时钟、电源、连接关系等设计内容。本小节内容将对RapidIO技术在综合化CNI系统设计中涉及到的一些总体技术进行介绍。

3.1 系统网络结构

网络结构的设计可以说是总线技术应用的基础，系统后续的的软件设计和硬件设计都将围绕首先设计好的的网络架构展开。

RapidIO网络拓扑设计最典型的有两种：分布互联方式和集中交换方式。前者是所有端节点之间的点到点互联，适用于网络节点数量比较少、连接关系相对简单的系统。后者以交换芯片为核心构建交换网络，其余节点作为端节点分别接入各个交换芯片，构成整个系统的Fabric网络构型，适用于节点规模较大的系统，而且这种架构也便于网络的统一管理和系统后续的扩展，使得系统的开放性更好。本文描述的综合化CNI系统即是采用这种网络结构设计。

CNI系统的RapidIO网络的网络结构如下图2所示：

图2 RapidIO网络结构示意图

从上图可以看出，CNI系统中的RapidIO网络是典型的1+1备份的双星型集中交换网络结构，两个交换网络分别配备一个网管，即主备网管。

从物理构型上来说，配备了两个RapidIO网络交换模块，每个交换模块上有若干交换芯片，交换芯片之间交叉互联，每个交换芯片提供若干网络端口供其余模块上的网络端节点接入，每个端节点对称的接入主网络（实线所示）和备网络（虚线所示），系统默认使用主网络，在主网络故障的情况下自动切换至备网络。主备网管功能集成在交换模块上，由基于PowerPc处理器硬件和嵌入式操作系统的软件编程实现。

3.2 网络速率和通信机制选择

从标准规范的发布情况来看，RapidIO 1.x标准支持的信号速率为1.25Gbps、2.5bps和3.125Gbps[4]。后续发布的RapidIO 2.x标准在兼容RapidIO 1.x标准基础上，增加了支持5Gbps和6.25Gbps的传输速率。

CNI系统功能众多，但是单个功能的数据量有限，大部分的数据传输以突发方式传输，因此瞬时带宽要求高而平均带宽要求低。在对系统总突发数据率需求分析的基础上，综合考虑了系统设计的实现难度（例如高速连接器选择、厂商芯片的支持程度、高速背板设计复杂度）等因素后，本系统的网络传输速率定为1.25Gbps，1×模式。

虽然RapidIO规范支持消息通信、全局共享内存（GSM）、直接内存存取（DMA）等多种通信机制[5]，但是在考虑到芯片厂商的支持程度（因为模块设计会涉及到DSP和PPC等多类型的厂商芯片，需要都支持相同的通信机制）后，CNI系统中的RapidIO最终采用消息通信作为本系统RapidIO的通信机制。

3.3 传输设计仿真

航空电子产品综合化的过程在对系统体积、重量、功耗等逐步优化的同时，也必然使得系统布局更加紧凑，单位面积上和单位空间中电路的集成度更高，导致系统对电磁兼容方面的问题更加敏感。同时，相对于传统的较低速的总线而言，RapidIO这种高速传输总线所涉及到的高速数字信号的传输本身也对硬件实现技术提出了更高的设计要求。

因此在系统设计上采用类似RapidIO网络这种高速传输技术的时候，十分有必要考虑一些先验的手段保证系统传输设计的可实现性，防止颠覆性问题的出现。

例如本系统设计进行的过程中即对综合射频机架的复杂背板进行了一系列的仿真，包括高、低速传输线仿真和电源线仿真等。针对RapidIO传输线引入串扰后传输效果仿真，串扰模型和眼图分析分别如下图3和图4所示：

图3 RapidIO仿真串扰模型图

图4 RapidIO仿真眼图分析

在系统硬件设计实现之后，再针对实际硬件进行眼图、BER、阻抗一致性等方面的测量，分析抖动、噪声、串扰、传输线效应等对实际传输效果的影响，以保证RapidIO网络传输系统本身没有任何问题，这样也可以缩短系统联试过程中故障定位时间，同时实测结果也可以用用来对仿真结果进行验证。事实上，CNI系统后续的测试结果和上述的仿真结果基本一致，也就证明了仿真过程及其结果的正确性。

3.4 光纤RapidIO的使用

根据飞机上安装位置的设计，天线接口单元的安装位置靠近天线，距离CNI综合射频机架的距离较远。因此，在系统设计的时候创新的提出了CNI综合射频机架与天线接口单元间采用通过光纤连接来进行RapidIO网络的扩展连接。

通过综合射频机架中的通用接口模块，实现RapidIO网络电到光的转换，将天线接口单元中的RapidIO节点直接接入综合射频机架中的RapidIO网络（如图2所示），保证天线接口单元数据传输效率的同时，也方便了系统控制管理软件对天线接口单元中模块资源的管理。

在光纤应用设计的时候由于RapidIO采用基本的1.25Gbps的速率，因此普通62.5μm多模光纤即可满足需要，但是普通的民品光纤连接器大部分不能满足机载振动环境的使用要求，因此CNI系统总体设计规定了必须选用相关耐环境要求的专用机架光纤连接器和LRM模块光电混装连接器，以提高系统整体的可靠性。

4 RapidIO软件设计

综合化CNI子系统进行软件设计的时候，软件体系结构全部使用开放式软件结构，完成了分布式多处理器系统的软件构型设计。

4.1 实时通信中间件软件

RapidIO软件设计的时候创新性的提出了基于SCA的RapidIO实时通信中间件和网络管理技术架构，先后突破了RapidIO高速实时通信中间件设计、RapidIO LIGHT通信协议栈设计、异构OS统一设计模型设计等关键技术。

采用基于RapidIO高速总线的RCS协议取代了CORBA产品中传统以太网总线TCP协议，移植后omniORB和ORBExpress产品经测试证明其CORBA服务正常，解决了在以太网总线上架构CORBA导致的时延不确定和传输速率低等缺点。

软件间接口遵循CORBA2.6规范和GIOP1.2互操作规范。

RapidIO网络和通信中间件主要包括RapidIO通信软件、RapidIO网管软件、RapidIO网络GUI软件，向上通过服务接口为应用软件提供实时通信、平台资源管理和可视化网络监控服务；向下通过硬件抽象适配层与硬件接口，实现应用与硬件之间的松耦合设计。

RapidIO通信软件是网络中数据通信的中间件，用户程序在使用RapidIO网络进行数据通信的时候，只需简单的调用通信软件提供的接口函数，使得RapidIO网络的传输细节对用户程序透明。

4.2 可视化网络管理软件

可视化网络管理软件分为RapidIO网络管理软件和可视化配置与管理软件两部分。

RapidIO网络管理软件主要完成正常工作情况下，网络的路由配置和状态管理，保证网络节点间通信链路的畅通，其主要功能包括：

（1）RapidIO网络的枚举和发现，建立网络节点之间的拓扑关系表，实现网络节点的查找、插入和删除功能,建立节点通信资源的管理维护表，实现节点通信功能的配置和维护。

（2）通过RapidIO与系统控制进行信息交互，包括应用程序的软件部署信息，网络节点资源运行状态，以及通信链路状态。

（3）网络路由配置等XML文件的解析；包括通信逻辑链路绑定的主备物理链路的路由表配置；

（4）双星型网络的主备同步，默认主交换模块工作，备交换模块实时记录网络工作状态，当主交换模块故障时，备用交换模块接替主交换模块的工作；

（5）识别出RapidIO边缘节点的链路故障并通过CM-GUI代理软件上报系统监控；

（6）判断出交换网络故障，实现双网络时的主备网络切换和网络逻辑通信链路的平滑切换；实现单网络时冗余路由的配置，和网络逻辑通信链路的平滑切换；

（7）网络运行日志的记录，并通过CM-GUI代理，上报给监控软件。

RapidIO可视化配置与管理软件通过以太网和RapidIO网管程序进行交互信息，用可视化的方法进行物理、逻辑链路的显示、监视和配置，并且能够通过命令行的方式进行系统的控制。通过配置，实现预案的下发和存储。通过监控，可以查看系统的运行状态，具体包括：

（8）创建配置文件。

（9）用可视化方式来翻译和表达网络配置信息，实现硬件组件和软件组件的可视化表示，组件和连线的鼠标拖拽。

（10）配置应用程序之间的逻辑连接关系。

（11）配置逻辑连接所使用的主/备物理链路。

（12）下发配置文件，并存储在RapidIO管理节点的FLASH存储设备中。

CNI系统的RapidIO可视化配置与管理软件的界面。

4.3 模块化软件支持库

与其它航电功能子系统单一功能不同的是，CNI系统是由来自通信、导航、识别三个方面的多个功能线程组成的多功能并发工作的复杂系统。在开放式架构的系统设计思想指导下，各功能线程尽可能的使用相同的硬件资源，通过不同的信号处理软件实现不同的功能，因此多功能线程并发执行的时候，给系统设计一方面带来共用软、硬件资源调配的问题，另一方面也存在多个参研单位软件设计一致性的问题。

综合化CNI系统不但硬件设计按照模块化的的思路，软件同样按照模块化思路封装为软件支持库的形式。由于CNI系统功能众多，参与研制的单位也较多，因此封装过后的软件支持库为各个厂家的软件设计一致性提供了便利，同时由于各家的软件是在支持库统一标准的约束下进行开发，这样就缩短了各参研单位软件开发周期，更极大的降低了系统联试过程中的软件联试工作量，缩短了整个系统的研制周期。

以RapidIO网络中应用最多的DSP芯片软件为例，其组成架构图如下图6所示，其中DSP的bootloader和加载管理程序、操作系统、通信软件（中间件）、RapidIO数据捕获和DSP管理软件、DSP软件主线程等均由软件支持库统一提供。

软件支持库为用户提供详细的接口说明、用户软件开发流程、使用例程等信息，同时对存储资源分配、中断和时钟使用约束等给出明确的要求，用户在此基础上只需完成RapidIO用户数据接收和处理函数、用户功能算法软件两方面的软件设计，整个RapidIO网络底层的通信过程实际上对用户而言是透明的。

Application of RapidIO Interconnection Technique in CNI System

GU sheng-hui
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

As a representative of Avionic integrated electronic information systems,CNI（Communication,Navigation,Identification）system adopted integrated and open system designing methods.In thispaper,some issues about application of RapidIO in CNI system are discussed such as topological structure,rate,work mechanism,simulation technology,fiber application,as well as software designing for RapidIO.The successful application and validation of RapidIO in CNI system are significative for follow-up Avionic program engineering.

Integration;Avionic integrated electronic information systems;RapidIO;CNI

TN971

A

1008-1739（2015）08-51-5

定稿日期：2015-03-26