太乙仙魔录霜凝和钟鸣h:高速交换设计的瑜亮情结？Rapid I/O与ASI(1)：背板与机房设备的高速接口－Rapid I/O

高速交换设计的瑜亮情结？Rapid I/O与ASI(1)：背板与机房设备的高速接口－Rapid I/O

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（郭长佑／DigiTimes.com） 2007-1-4   　
谈到电信、通信、嵌入式设备的背板（Backplane）技术，就不得不谈论目前最盛行普及的接口标准：Rapid I/O。Rapid I/O最初是由Mercury Computer Systems公司与Motorola公司（如今为Freescale公司）所共同研发成的接口技术，此研发自1997年开始进行，并以处理器间的互连为主要诉求。



　2003年5月，Mercury Computer Systems公司首次推出使用Rapid I/O技术的（嵌入式）多重电脑系统（Multicomputer System）：ImpactRT 3100，图左为Mercury公司的技术长：Craig Lund，图右则为Mercury公司OEM方案事业群的副总裁兼总经理：Mark Skalabrin。（资料来源：www.mc.com）

　除了以芯片互连为主要假定外，在订立过程中也确立了三大目标：1.定义成一种轻量性（Light-Weight）的传输协议。2.对软件的冲击将有所限度。3.专注于机箱内（inside-the-box）的通信运用。

　确立了这些之后，Rapid I/O经过两年的草拟与议定，于1999年完成了首版的标准，并又经过了两年的时间，合乎与支持Rapid I/O标准的芯片才逐渐登场，包括可实现Rapid I/O的 FPGA、具有Rapid I/O接口的处理器、桥接器芯片、交换器芯片等。此后，Rapid I/O接口技术的运用也扩展延伸到电信营运级（carrier-grade）的设备上。

　不过，机房设备的背板技术并非只有Rapid I/O一种，虽然Rapid I/O是目前最盛行普及的一种，但其它高速性的接口也对其产生若干威胁，这些高速性接口如PCIe（PCI Express）、HTX（HyperTransport eXtension）、IBA（InfiniBand Architecture）等，虽然这些高速并非在初始就针对背板需求而订立，然而近年来也逐渐有跨足、延伸到背板（及高速机房设备）应用的趋势。

　标准性互通的需求

　在正式介绍Rapid I/O前，我们必须先从更前头来发出疑问：为何需要Rapid I/O？Rapid I/O的提出能满足何种需求？关于此，答案主要是：嵌入式系统需要更标准化的互连设计，就研发的需求来看，嵌入式系统需要更高的效能、更低的系统成本（包括：NRE、CAPEX、OPEX等）、更模块化的设计（须具备跨平台的再用性）、更共通的机内零组件、更分散性的处理、更标准的连接等，Rapid I/O是为了满足这些需求而订立。

　附注：NRE＝Non-Recurring Expense，CAPEX＝CAPital EXpenditure，OPEX＝OPerating EXpenditure。

　此外，标准化的互连需要满足多项要求，包括：高效能、多重主控（分布式处理）、直接性的点对点通信、支持多种异质操作系统、支持直接内存存取（DMA）及信息传通（Message Passing）、支持复杂的连接拓朴（探索机制、备援路径—容错用途）、支持多播（Multicast）、具备高稳定度（传输无丢失、自动再训练及装置同步、系统层级的错误管理）、计时性同步（Time of day synchronization）、网络服务质量（QoS）等。而这些也正是Rapid I/O所期望满足的方向。

　Rapid I/O的三大技术特点

　为了满足上述的多项要求，经过数年研拟所订立成的Rapid I/O具有许多特点，包括模块化延展性、高速连接性、以及坚韧强固性。

　先说明模块化延展性，Rapid I/O实行阶层式的传输架构，包括实体层（Physical）、传输层（Transport）、逻辑层（Logical）等，其中在传输层上实行共通设计，即是用单一的传输层技术来因应各种不同的实体层与逻辑层。如此，Rapid I/O适合用于Chip-to-Chip（芯片对芯片）以及Board-to-Board（板卡对板卡）的背板应用中。


▲图说：Rapid I/O（或可写成RapidIO、RIO）的架构图，图中可了解Rapid I/O主要区非成实体、传输、逻辑等三个运作层（及规范），最底处则还有一个辅助层规范，Rapid I/O最大的特点在于单一性、共通性的传输层，透过此可以兼容、聚合各种不同的实体层与逻辑层。（资料来源：rapidio.org）

　其次是高速性连接，Rapid I/O的实体层可说是针对背板互连需求的设计所定义，在两个连接器（串行式Rapid I/O）间允许80cm∼100cm的联机，总体效能频宽可达10Gbps之高。

　再来是坚韧强固性，Rapid I/O具有在电信营运级的稳定性，同时也具备传输运用的交通管理机制（Traffic Management），以及支持多种协议，这同时也意味着Rapid I/O可扮演聚合（Convergence）的功效角色。

　附注：有关错误管理、多播等机制，在Rapid I/O中属于辅助性的规范标准（Ancillary Specifications）。

　Rapid I/O的实体层规格

　在Rapid I/O规范定义的阶层中，实体层是最基础的一块，且可选择并列（Parallel）或串行（Serial）的连接方式，事实上最初订立的是并列式，之后才有串行式。

　在并列方面，Rapid I/O可以选择8-bit宽或16-bit宽的并列传输，且各线都是实行低电压差动方式（Low Voltage Differential Signaling；LVDS）来传输，而传输频率在250MHz∼1GHz间，并用上双触发缘的传输技术（Double Data Rate；DDR）。

　至于串行，Rapid I/O允许同时用上1∼4个的传输巷（Lane），以及能与XAUI（10GbE Attachment Unit Interface）接口的交流电气特性耦合；在传输编码方面实行8B/10B编码法，因此将频率信号穿插在数据信号间，此与并列式的Rapid I/O有所不同，并列式的Rapid I/O有个别独立的频率传输信号。

　若再进一步了解，串行式的每个传输巷可有1.25G、2.5G、3.125G的鲍率（Baud Rate），如此同时使用上4个传输巷，并且每个传输巷都达3.125GBaud，每个Baud传递一个bit的数据，这样就可以获得12.5Gbps的频宽。不过，由于串行是实行8B/10B编码法，因此要扣除20%的频率信号，如此才是实质的数据传递频宽，所以12.5Gbps×0.8 = 10Gbps，10Gbps是目前串行式Rapid I/O（简称：sRIO）的最高速率。

　除了串行、并列的差别外，Rapid I/O的采点对点（point-to-point）的连接拓朴，支持Rapid I/O的装置可以透过Rapid I/O进行传输同步及装置训练，「训练」可以让装置以最佳化方式传输或智慧性方式传输。

　还有，Rapid I/O的传输封包具有接收妥当后的知会响应性（Acknowledge），或者接收未妥时也能进行重新尝试传递（Retry），这主要是因为Rapid I/O封包夹带着16-bit或32-bit的CRC（Cyclic Redundancy Check）查核码，可以侦错、自行更错，或在无法自行更错时能要求重新传递。而且，这些错误回复机制都是以硬件方式实现，控制相关的信息（Control Symbols）已经包含在实体层控制的主机制内，也可以嵌入到封包内。

　此外，Rapid I/O的封包有4个固定性的优先权，其中「收妥后的知会，Acknowledge」与「接收未妥请再次尝试传递，Retry」这两种响应的优先权低于「传输请求，Request」。而传输的流量控制（Flow Control）机制则是在联机层（Link-Level）实现。


▲图说：RIO的封包解说图，图中可见咖啡色为实体层封包、水蓝色为传输层封包、土黄色则为逻辑层封包，周旁标注的数字则代表每个封包字段所占用的bit数。（资料来源：rapidio.org）

　Rapid I/O的传输层规格

　Rapid I/O的交换（Switch）传输是在传输层（Transport Layer）运作，在这些阶层内，所有的逻辑层协议都使用一致、共通性的传输层档头（Header），这种作法的好处是：无论逻辑层协议如何改变，或往后推出何种新逻辑层协议，现有在传输层的交换机制都可以持续支持。

　接着，Rapid I/O的封包在传输层是如何路由、绕径（Routing）的呢？关于此Rapid I/O是以装置为基础来进行路由，每一个支持Rapid I/O的装置都可以有一个8-bit或16-bit的Device ID，如此与Ethernet或IP等作法相比，反而能让装置的分类、绕径更加简化。另外，每个Rapid I/O的装置ID都可以支持个体装置的单播（Unicast）或群组式的多播（Multicast），且多播完全在传输层实现，不需要用到逻辑层的响应机制（如：NWRITE、SWRITE、Data Streaming等）。

　还有，容错事件（Fail-Over Event）发生后只会影响路由表中最邻近的记录项，这正是装置式路由（Device-Based Routing）的好处，倘若是使用路径式路由（Path Based Routing）就无法将错误发生后的影响限缩到此种程度。


▲图说：2006年3月，Mercury公司发表该公司的sRIO（Serial Rapid I/O）方面的硅智财解决方案，该方案为具备高效能、高度弹性的核心电路，可用于嵌入式、通信、无线、存储、以及防御（国防）等应用中，同时该方案结合了逻辑、传输以及实体层，适合用来实现Endpoint或Switch，使芯片设计业者能快速设计出支持sRIO的芯片。（资料来源：www.mc.com）

　Rapid I/O的逻辑层规格

　讲述完实体层、传输层后，接下来是逻辑层，Rapid I/O的逻辑层有三种运作方式：Load（载出）、Store（存入）、DMA（直接内存存取）等，且这些运作对处理器而言是完全无法察觉感知的，如同在背景、透明地无形运作。

　此外，Rapid I/O的逻辑层中有几种运作（或称为「交易，Transaction」），包括：NREAD（读出）、NWRITE（写入，但写入后不会产生响应）、NWRITE_R（强韧型写入，要求接收端对是否接收良善进行响应）、SWRITE（串流式的写入）、ATOMIC read-modify-write（独立性读/改/写）、MAINTENANCE（维护用途，如：系统发现、探索、初始、组态配置、以及维护等运作）。

　另外，Rapid I/O还支持信息传通式的逻辑传输，以硬件方式将封包进行分段，每段（Datagram）为4KB容量，将封包打散后传递，之后再进行自动化的重组还原。而且，打散后传输若未能在要求的时限内传递到目的地，系统也会自动要求重新尝试传送。

　再者，Rapid I/O设计上可以有4个信息信箱（Mailbox），每个信箱最多可以装入4个信息信件（Letter），这表示发送装置可以一次同时发4个信息信件到同一个目标信箱。更重要的是，Rapid I/O支持门铃（Doorbell）机制，透过此机制可以传递8-bit或16-bit长度的短信息。

　除这些外，Rapid I/O也具备Data Streaming（数据串流）的逻辑层协议，一样支持拆段后传输再加以重组还原，而段落的类型上主要有三：Start（开始）、Continuation（待续）、End（完结），其中Continuation的段落只要20-bit长度的档头即可。

　还有，Data Streaming的逻辑传输中也支持「虚拟化串流」，即是可以对各串流进行辨识，透过辨识方式来实现虚拟化，让一个串流可以被视为多个串流，或者反过来，将多个串流视为一个串流。加上「通信管理框构，Traffic Management Framework」的设计，使Rapid I/O能够「端对端，End-to-End」地全程确保流量管控，并且掌控数以百万个串流。


▲图说：RIO网络中有两种「基础方块，Basic Block」：Endponts（端末者）及Switches（交换者），端末者可吞（Sink）、吐（Source）封包，交换者则负责传通两端末点间所吞吐的封包，且不需要对封包进行解译（Interpreting）。（资料来源：rapidio.org）

　未来展望

　最末，Rapid I/O在实现Chip-to-Chip、Board-to-Board的高速连接后，下一步也将迈向Chassis-to-Chassis（机箱对机箱）的连接规范，特别是Rapid I/O本身即是已可以扩展延伸的方式来设计。

　Rapid I/O不仅要跨出机箱，同时也要再提升速率，现有Rapid I/O已经达10Gbps，下一步Rapid I/O将迈向40Gbps，以及持续强化协议，使协议在传输上更具效益。


▲图说：运用RIO技术所建构成的「多服务性交换器，Multiservice Switch」，图右的灰色箭头为背板（Backplane），更右端则为结构式连接，图左的三个区块则是三个电信服务适配卡，由上至上分别有OC-12/STM-4（光纤网络）、GbE（以太网络）、T1/E1（传统专线）。（资料来源：rapidio.org）