RapidIO總線的出現(xiàn)及其體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

　　傳統(tǒng)總線多采用并線總線的工作方式，這類總線一般分為三組：數(shù)據(jù)線，地址線和控制線。實現(xiàn)此類總線互連的器件所需引腳數(shù)較多，例如對于64位數(shù)據(jù)寬的總線，一般由64根數(shù)據(jù)線，32-40根地址線以及30根左右的控制線，另外由于半導(dǎo)體制造工藝的限制還要加上一定數(shù)量的電源引線和地線，總共會有約200根左右的引線，這給器件封裝、測試、焊接都帶來了一些問題，如果要將這種總線用于系統(tǒng)之間的通過背板的互連，由此帶來的困難就可想而知。并線總線的另一個問題是時鐘與信號的偏移容限的問題，對于這樣一組并行信號線的集合，信號的采樣是取決于時鐘信號的上升沿或是下降沿，這樣對于信號的跳變和時鐘的跳變時刻的時間差就有一個上限值，隨著速率的升高，布線長度、器件門電路自身的翻轉(zhuǎn)時間都會影響總線的速率。

　　用于處理器之間互連以及背板互連的另一個主要技術(shù)是以太網(wǎng)，近些年來，以太網(wǎng)在存儲、電信、通訊、無線、工業(yè)應(yīng)用以及嵌入式應(yīng)用中得到大量的應(yīng)用，現(xiàn)有的成熟的硬件和協(xié)議棧降低了開發(fā)的復(fù)雜性和產(chǎn)品的開發(fā)成本。但是在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中得到很好應(yīng)用的以太網(wǎng)用于這種芯片級或是板極的系統(tǒng)互連顯示出了低效率、高延時的特性，QOS需要高層軟件的參與，造成軟件模塊化結(jié)構(gòu)不清晰。尤其是當(dāng)背板的傳輸速率從1Gbps增加到10Gbps時，增加的處理要求已經(jīng)超出了以太網(wǎng)的能力。

　　RapidIO技術(shù)最初是由Freescale和Mercury共同研發(fā)的一項互連技術(shù)，其研發(fā)初衷是作為處理器的前端總線，用于處理器之間的互連，但在標(biāo)準(zhǔn)制定之初，其創(chuàng)建者就意識到了RapidIO還可以做為系統(tǒng)級互連的高效前端總線而使用。1999年完成第一個標(biāo)準(zhǔn)的制定，2003年5月，Mercury Computer Systems公司首次推出使用Rapid IO技術(shù)的多處理器系統(tǒng)ImpactRT 3100, 表明RapidIO已由一個標(biāo)準(zhǔn)制定階段進展到產(chǎn)品階段，到目前為止，RapidIO已經(jīng)成為電信，通迅以及嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的芯片與芯片之間，板與板之間的背板互連技術(shù)的生力軍。

　　RapidIO是針對嵌入式系統(tǒng)的獨特互連需求而提出的，那么我們首先來說明嵌入式系統(tǒng)互連的一些基本需求：嵌入式系統(tǒng)需要的是一種標(biāo)準(zhǔn)化的互連設(shè)計，要滿足以下幾個基本的特點：高效率、低系統(tǒng)成本，點對點或是點對多點的通信，支持DMA操作，支持消息傳遞模式交換數(shù)據(jù)，支持分散處理和多主控系統(tǒng)，支持多種拓樸結(jié)構(gòu);另外，高穩(wěn)定性和QOS也是選擇嵌入式系統(tǒng)總線的基本原則。而這些恰是RapidIO期望滿足的方向。所以RapidIO在制定之初即確定了以下幾個基本原則：一是輕量型的傳輸協(xié)議，使協(xié)議盡量簡單;二是對軟件的制約要少，層次結(jié)構(gòu)清晰;三是專注于機箱內(nèi)部芯片與芯片之間，板與板之間的互連。

　　RapidIO采用三層分級的體系結(jié)構(gòu)，分級結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

　　圖1：RapidIO三層分級體系結(jié)構(gòu)圖

　　由此圖可見，RapidIO協(xié)議由邏輯層、傳輸層和物理層構(gòu)成。最明顯的一個特點就是RapidIO采用了單一的公用傳輸層規(guī)范來相容、會聚不同的邏輯層和物理層，單一的邏輯層實體增強了RapidIO的適應(yīng)性。物理層定義了串行和并行兩個實體，得到廣泛應(yīng)用的只有串行方式，尤其是用在背板互連的場合，串行方式可以在兩個連接器之間允許80-100cm的連線，單鏈路傳輸帶寬可達10Gbps。目前RapidIO的標(biāo)準(zhǔn)是Version1.3，在未來的Version2.0規(guī)范中定義了更高的傳輸速率，可以得到更高的傳輸帶寬。

　　目前，RapidIO在無線基站系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，同樣在視頻處理，語音處理，高性能計算機及存儲領(lǐng)域也會得到越來越多的應(yīng)用。在實現(xiàn)芯片到芯片之間、板與板之間的高速互連上，RapidIO所能帶來的好處也越來越直觀，對于簡化系統(tǒng)設(shè)計、高帶寬、低延時等特點也被開發(fā)人員廣泛接受。下一代的RapidIO在應(yīng)用上也要向機箱與機箱間的高速互連方向上發(fā)展，同時也會提供更高的傳輸速率，2.0規(guī)范中已經(jīng)可以實現(xiàn)40Gbps的帶寬。我們相信，隨著越來越多的處理器支持RapidIO接口，RapidIO的應(yīng)用前景會越來越光明

　　RapidIO信號完整性測試及其最必要的波形參數(shù)測試

　　眾所周知，當(dāng)今世界數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，無論您是一位從事電信產(chǎn)品或是數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品，PC，服務(wù)器及相關(guān)產(chǎn)品，高速半導(dǎo)體集成電路設(shè)計，或是高速光電收發(fā)模塊，高速信號處理，高速互連器件(諸如高速接插件，高速數(shù)字傳輸電纜)等領(lǐng)域的研發(fā)及測試工程師都會面臨著一個共同的挑戰(zhàn)——Signal Integrity(SI)——信號完整性。

　　大概10年前我們所提到的數(shù)字產(chǎn)品，其時鐘或數(shù)據(jù)頻率大多在幾十兆之內(nèi)，信號的上升時間大多在幾個納秒，甚至幾十納秒以上。那時的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計工程師進行的就是“數(shù)字設(shè)計”――只要掌握布爾代數(shù)等數(shù)字方面的諸多知識，保證邏輯正確，就能設(shè)計出其所期望的性能的產(chǎn)品。而現(xiàn)在的數(shù)字技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到幾千兆，甚至幾十千兆的傳輸速率，信號的上升時間大多在一納秒以內(nèi)，諸如串?dāng)_，阻抗匹配，EMI(電磁兼容)，抖動等射頻微波領(lǐng)域才會遇到的問題，如今變成了高速數(shù)字設(shè)計必須解決的關(guān)鍵性問題。這就要求我們的工程師不但要具備數(shù)字方面的設(shè)計知識，同時也要具備射頻微波方面的設(shè)計知識;不但要掌握時域及邏輯域的測量技術(shù)，還要掌握頻域的測量技術(shù)。

　　高速數(shù)字設(shè)計與測試在歐美，日本等技術(shù)先進國家近些年來已成為一個非常熱門的行業(yè)，它是實現(xiàn)高性能數(shù)字化產(chǎn)品的基礎(chǔ)，就如同一個城市的道路建設(shè)，只有路修得好，車才能跑得既穩(wěn)又快。因此，國內(nèi)外很多大公司都相繼成立了高速數(shù)字設(shè)計與測試(信號完整性分析)的研發(fā)力量。

　　圖2：典型的高速互連系統(tǒng)

　　圖2是一個典型的高速互連系統(tǒng)，包括：發(fā)送器，傳輸通道和接收器。針對這種高速互

　　連系統(tǒng)(如RapidIO互連系統(tǒng))的信號完整性測試分析，我們需要考慮三個方面：

　　1、 信號波形參數(shù)測試分析：一般用示波器測試分析發(fā)送端的信號或接收端的信號，通

　　過眼圖/模板、抖動等參數(shù)的測試分析決定是否滿足規(guī)范或設(shè)計要求。

　　2、 互連測試分析：這是從引發(fā)波形失真的源頭去測試，測試通道的差分阻抗，衰減等

　　參數(shù)，分析是否會引發(fā)信號完整性問題。

　　3、 接收性能測試：只是信號波形好不能保證整個系統(tǒng)誤碼率一定很低，系統(tǒng)一定穩(wěn)定

　　和可靠，因為接收性能的好壞也是決定系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的一個關(guān)鍵方面。

　　首先我們需要考慮的是信號波形參數(shù)測試分析部分。信號波形參數(shù)測試分析一方面檢測被測系統(tǒng)是否滿足規(guī)范或設(shè)計的要求，另一方面是幫助我們找到問題的根源。圖3是安捷倫信號波形參數(shù)分析解決方案。DSA90000A數(shù)字信號分析儀帶寬從2.5GHz到13GHz可選和帶寬可升級，采樣速率每通道高達40GSa/s，存儲深度最深每通道達1GB。DSO9000A帶寬從1GHz到4GHz可選和帶寬可升級，采用速率最高達20GSa/s，存儲深度最深達1GB(兩通道使用下每通道指標(biāo))，卓越的性能滿足RapidIO測試的要求。

　　注：測試3.125Gbps的RapidIO需要8GHz帶寬，測試2.5Gbps的RapidIO需要6GHz

　　帶寬，測試1.25GHz的RapidIO需要4GHz的帶寬。

　　圖3：安捷倫信號波形參數(shù)分析解決方案DSA90000A和DSO9000A

　　針對串行RapidIO，信號波形參數(shù)測試內(nèi)容如下(以3.125G為例)：

　　表1：串行RapidIO信號品質(zhì)測試規(guī)范(以3.125Gbps為例)

　　圖4：串行RapidIO模板定義

　　圖5：串行RapidIO測試結(jié)果示例(使用安捷倫基于示波器的自動測試軟件)

　　RapidIO互連通道測試

　　物理層結(jié)構(gòu)正日益成為高速數(shù)字系統(tǒng)性能的瓶頸。在較低的信號速率時，這些互連的電

　　長度很短，驅(qū)動器和接收機一般是導(dǎo)致信號完整性問題的最主要因素。但隨著時鐘速率、總

　　線速率及鏈路速率突破每秒千兆大關(guān)，物理層特性測試正變得日益關(guān)鍵。

　　時域分析一般用來描述這些物理層結(jié)構(gòu)的特征，但通常情況下，設(shè)計人員在測試時往往

　　只考慮器件工作在其被期望的工作模式上時的情況。為了獲得一個完整的時域信息，必須要

　　測試反射和傳輸(TDR和TDT)中的階躍和脈沖相應(yīng)。

　　為了全面描述物理層結(jié)構(gòu)的特征，還必須進行頻域分析。S參數(shù)模型說明了這些數(shù)字電

　　路結(jié)構(gòu)所展示出來的模擬特點包括：不連續(xù)點反射、頻率相關(guān)損耗、串?dāng)_和EMI等性能。

　　為使設(shè)備性能符合標(biāo)準(zhǔn)，眼圖增加了重要的統(tǒng)計分析功能。為利用全面特性檢定技術(shù)改

　　善仿真能力，可以采用基于測試結(jié)果的S參數(shù)或RLCG模型提取技術(shù)。

　　隨著在多種工作模式下進行數(shù)字和模擬綜合分析(時域和頻域)變得越來越重要，要完

　　成這些測試功能，通常需要使用多種測試儀表，同時操作多種儀表正變得越來越困難。物理

　　層測試系統(tǒng)PLTS是為了解決這種困難而設(shè)計的。它使用已獲專利的變換算法，自動地在頻

　　域和時域里表示在所有可能的工作模式(單端、差分、共模和模式轉(zhuǎn)換)下所得到的前向和

　　后向、傳輸和反射的測試數(shù)據(jù)。強大的虛擬碼型發(fā)生器功能可以把用戶定義的二進制序列應(yīng)

　　用到被測的數(shù)據(jù)上，形成仿真的眼圖。同時，可以提取高精度的RLCG模型，用來提高建

　　模的仿真的精度。圖6是RapidIO互連通道測試要求：

　　圖6：串行RapidIO互連通道損耗規(guī)范(以3.125Gbps為例)

　　圖7：串行RapidIO互連通道測試結(jié)果(使用Agilent物理層測試系統(tǒng))

　　安捷倫物理層測試方案功能

　　1、 高速互連的時域分析：可以得出16個單端時域參數(shù);可以得出16個混合模式(或差

　　分模式)時域參數(shù)。

　　2、 高速互連的頻域分析：可以得出16個單端頻域參數(shù);可以得出16個混合模式(或

　　差分模式)頻域參數(shù)。

　　3、 支持校準(zhǔn)引導(dǎo)和多種校準(zhǔn)模式，如：TRL，SOLT，夾具直通校準(zhǔn)方法等。

　　4、 基于測量結(jié)果的眼圖仿真：用戶定義虛擬碼型，進行眼圖仿真。產(chǎn)生眼圖后，可以

　　用光標(biāo)或自動進行測量，如：模板，抖動，眼圖張開，上升時間和下降時間等。

　　5、 支持頻域S參數(shù)模型和時域RLGC模型提取，可以導(dǎo)到建模和仿真軟件中，進行更

　　復(fù)雜的仿真分析。

　　圖8:安捷倫物理層測試系統(tǒng)

　　RapidIO接收性能和誤碼率測試

　　接收性能測試往往被忽視。對于低速系統(tǒng)，一般沒問題，但當(dāng)信號速率上升到了2.5Gbps

　　上后，規(guī)范對接收性能就有比較嚴格的要求。

　　一旦我們測試出了接收的性能或接收的模板，我們就可以知道我們的信號完整性設(shè)計應(yīng)

　　該設(shè)計到什么程度。比如，接收性能非常好，則信號波形較差，整個系統(tǒng)也仍然會穩(wěn)定和可

　　靠。

　　接收性能測試需要這樣一臺儀器：

　　1、 一臺高性能誤碼儀：能夠發(fā)抖動非常小，波形非常好的信號;能夠接收信號和分析

　　誤碼率。

　　2、 能夠發(fā)帶抖動的信號，并且抖動是經(jīng)過校準(zhǔn)的，設(shè)置輸出多大抖動，實際就是多大

　　抖動，誤差較小。

　　3、 具備多種抖動產(chǎn)生能力：正弦波抖動SJ，周期性抖動PJ，碼間干擾抖動ISI，隨機

　　抖動RJ，邊帶不相關(guān)抖動BUJ等。

　　RapidIO抖動容忍度的測試要求：

　　. pk-pk Receiver Jitter Tolerance =208ps (0.65UI)

　　. Jitter includes 3 components : Rj,Dj, Sinusoidal Jitter

　　. DJ tolerance shall be at least 118.4ps (0.37 UIp-p) .

　　. Tolerate an additional sinusoidal jitter with any frequency and amplitude

　　defined by the Far mask

　　圖9：RapidIO抖動容忍度測試要求

　　安捷倫接收性能測試方案功能

　　安捷倫公司的N4903A/B J-BERT是典型的接收性能測試儀器。圖13是J-BERT總覽。

　　圖10：安捷倫接收性能測試方案J- BERT總覽

　　JBERT實現(xiàn)功能：

　　1、接收性能測試

　　2、誤碼率測量

　　3、快速眼圖和模板測試

　　4、碼型捕獲

　　5、抖動容忍度測試

　　RapidIO協(xié)議層調(diào)試

　　RapidIO協(xié)議層分析和調(diào)試也是設(shè)計RapidIO系統(tǒng)時需要考慮的部分，尤其對于RapidIO

　　軟件設(shè)計者來說。RapidIO協(xié)議分析儀可以幫助我們完成RapidIO協(xié)議部分的測試和調(diào)試。

　　方案功能如下：

　　1、捕獲和分析串行RapidIO和PCI-Express協(xié)議

　　2、支持包頭識別和觸發(fā)

　　3、提供包級數(shù)據(jù)濾波

　　4、支持調(diào)試物理層，傳輸層和邏輯層

　　圖11：串行RapidIO和PCI-Express綜合協(xié)議分析儀

　　簡短小結(jié)

　　RapidIO互連技術(shù)已經(jīng)在各種無線通訊、雷達信號處理、高性能嵌入式處理等場合大量

　　使用，針對RapidIO設(shè)計的復(fù)雜性，安捷倫開發(fā)了全套的設(shè)計和測試解決方案：用ADS來

　　進行系統(tǒng)的仿真和設(shè)計，用示波器進行波形參數(shù)的測試分析，用物理層測試系統(tǒng)進行互連通

　　道的測試和分析，用抖動誤碼儀進行系統(tǒng)誤碼率和接收靈敏度的測試和分析，用協(xié)議分析儀

　　進行協(xié)議層的分析和調(diào)試，以幫助研發(fā)工程師最快的開發(fā)RapidIO系統(tǒng)。