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1、VPX技术VPX技术论证目录1. VPX标准概述21.1 VPX高速串行总线21.2 VPX接插件31.3 VPX的I/O能力31.4 VPX的电源改进42. VPX高速串行总线42.1高性能网络1/10 Gbe交换52.2 串行RapidIO 发展壮大62.3 PCI Express: 高性能接口73. PowerPC处理器83.1 Power构架的演变83.2 今天A&D应用的革命93.3展望Power构架的未来104. VPX与VME, VXS区别104.1 广泛使用的VME114.2 VITA 41124.3 VITA 46134.4 向后兼容144.5 3U VITA 46154.6
2、 VITA 48154.7 总结155. 采用基于VPX总线的系统迎接航空任务计算应用的挑战165.1 任务计算的挑战165.2多处理器方案满足强大处理需求165.3 系统的需求175.4 尺寸和重量的限制185.5 恶劣环境下的性能195.6 新VPX标准将会给我们带来什么？196. FPGA应用于流处理196.1流处理系统的特点206.2使用 FPGA做前期处理216.3将FPGA集成到系统中227. 将FPGA和交换网络应用到系统中237.1处理器间通信267.2权衡所有因素26VPX 技术新型VPX(VITA 46)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
3、的改进。它将增加背板带宽，集成更多的I/O，扩展了格式布局。目前，VME64x已经不能满足国防和航空领域越来越高的性能要求和更为恶劣环境下的应用。许多应用，例如雷达，声纳，视频图像处理，智能信号处理等，由于受到VME64x传输带宽的限制，系统性能无法进一步提高。急需要一种新体制的总线，替代现有的VME64x总线，以提高系统传输带宽。1. VPX标准概述VITA 46基础标准由VITA46.0（基础协议）和VITA46.1（VME连接）描述，也称为VPX，并成功地于2006年一月引入。这是一个里程碑，因为我们可以确信VITA46标准已经设计和实现出来了。下一步是完成最终文档，并且提交ANSI（美
4、国国家标准化组织）得到正式ANSI批准。1.1 VPX高速串行总线VPX总线是VME技术的自然进化，它采用高速串行总线替代并行总线是其的最主要变化。VPX采用RapidIO和Advanced Switching Interconnect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儿250MBytes/sec的数据传输率。如果4个信道最高1 GBytes/sec的理论速率。VPX的核心交换提供32个查分对儿，组成4个4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模块的理论合计带宽为8 GB/sec。当今基于VME总线雷达系统阵列
5、中的每个系统处理器，都必须等待轮到该处理器获得总先后才能发送数据。这样不仅仅使处理器终止了对当前数据块的处理，同时还终止了处理器对输入数据的处理。交换结构使所有数据流畅通无阻，来解决这一问题，这样减小了处理延迟和输入数据流的中断。StarFabric是一个串行转换结构，他利用现有的VME-64背板链接嵌入式多处理器。可是，VME64X接口的物理特性限制限制了它将来的发展。在VITA46开发以前，雷达系统开始面临主卡的性能的制约。VME主卡其中两个最严重的限制是每个插槽上通过信号针的数据量限制，以及严重的功率浪费。VITA46通过采用高速连接器和支持先进的交换结构，着重解决了这两个问题。由于采集
6、的数据频率越高，图像效果越好。随着雷达数据管道变得越来越大，VPX将成为解决这些新需求的新技术。1.2 VPX接插件VPX采用了由Tyco公司开发出了模块化的VPX RT2连接器，该连接器内含可控阻抗，低插入损耗，在最高6.25 Gbaud下，串扰小于3%。Tyco公司生产的独特的新7排RT2连接器，与级联块儿和键一起，实现VITA 46模块和背板设计。VITA 46选择RT2连接器的目的是为了解决以下问题： 连接器必须可以发送信号至少5 Gbits/sec 连接器必须提供充足的I/O，适应现代主卡上日益增加的功能。 连接器的尺寸必须能够满足VME标准长度，以便可以安装PMC模块，能够保证0.
7、8英寸的板间距。 连接器系统必须足够牢固，这样在军事/航空系统的恶劣环境中才能应用。VITA 46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MultiGig RT2连接器使得每个接触点压力降低而又能保证充分的接触。以上结论都是建立在连接器机械结构评估和测试基础上得来的。VITA 46 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 适度 沙尘 耐久 静电保护1.3 VPX的I/O能力VPX拥有着更多的I/O能力，其
8、数量几乎是64X类型卡的两倍。所有的I/O针都有千兆传输能力，最高到6.25 Gig/Sec。并且有辅助的VITA 48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6U VPX模块可以提供：总共707个非电源电触电总共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的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），其余未使用。VPX提供最高32个网络交换针，这些针的作用： 得到更多的吞吐量 提升性能 实现网状拓扑结构 减少插槽数 无需交换插槽 节省空
9、间和降低重量1.4 VPX的电源改进VPX改进了电源供电。5V最高可达115W，12V最高可达384W，48V最高可达768W。如此大功率的电源，允许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，降低重量和降低电子兼容问题产生。2. VPX高速串行总线新串行交换结构技术使得军用和航空嵌入式计算机系统得到更高的性能，同时减少系统成本和重量。如今有多种高性能交换结构技术可供选择。这其中的三个Gigabit Ethernet (GbE), Serial RapidIO (SRIO), and PCI Express (PCIe)尤其突出，优点最多。GbE是基于IP数据通信的标准，无论
10、是平台间网络还是在同一个背板中的子系统。SRIO是DSP应用中高密度多处理簇互联的最好方式。第三种，PCIe事实上已经是，核心处理器到外围设备高带宽数据流传输应用的标准。图1展示了嵌入式系统的网络结构的概念。因为不可能有一种网络交换技术可以满足国防和航空嵌入式应用领域中所有的需求，所以Curtiss-Wright公司提出了分层（hierarchy）解决方案使用GbE作为平台间网络互联，并且使用SRIO和PCIe作为底板总线交换网络互联。使用这种方式，国防和航空系统集成商可以在他们系统中应用交换结构技术。GbE，SRIO以及PCIe各有优势，如果将这些交换结构结合在一起应用于嵌入式军用系统中，将
11、形成功一种新的能强大的结构。经过应用，主要的芯片，板子大量真实评估，以及主板整体设计，一种被称为VPX新的高性能底板问世。无论客户应用采用分布的、集中的，还是混合的网络拓扑结构，这种存在多种网络交换的计算平台，允许用户选择最合适的网络来满足系统需求设计。GbE可以应用于松散耦合系统的链接，SRIO, PCIe,或两个结合使用适合于处理器，外围设备以及板卡之间的紧密耦合通信簇。用户可以使用1/10GbE交换网络建立Intra-Platform Network(IPN)来有效的传输IPv4/v6信息包，用户可以使用标准的电缆连接不同的系统，或者通过标准底板进行板子与处理器间传输（参看图1）。SRI
12、O更适用于组建网状拓扑结构的数字信号处理器应用，PCIe更适用于核心处理器到外围设备的高带宽数据传输。2.1高性能网络1/10 Gbe交换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重点都有以太网连接。这种商业领域广泛的应用正在影响军用市场，找到某种方式将网络中心引入加固国防应用市场。Network Centric Warfare (NCW)学说的实现推动了高带宽、高可靠的IP网络的战场通信的发展。随着国防部对利用现有资源无缝连接到全球网络的迫切需求，1-GbE网络交换已经成为链接机箱和链接板子，组建今天高带宽IP平台网络的首选。将来的技术转向1/10Gbe网络是很自然的事情，它是
13、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1/10 Gbe提供了统一的方法来进行标准数据传输。通过简单的在原来系统上增加交换机或PMC交换卡，在VME64x机箱里组建星型或双-星型网络来升级原有系统。采用VPX背板的新系统不仅可以允许1 GBE接口，还可以允许10 GBE接口通过背板路由，这样很容易增加网络带宽。对于高性能网络，VPX系统采用类似于VME64X系统的集中交换结构，（例如一个VPX交换/路由卡或者一个X/PMC交换卡）通过GbE连接机箱中的板子，机箱可以采用铜或者光介质链接，组建分
14、布式或集中式的网络拓扑结构（参看图2）。虽然有很多现行的GbE标准，其中的最流行的几个标准和特性包括：1000BaseT，一般用于铜介质背板进行板间或处理器间通信。1000BaseSX(1 Gb/s)一般用于光介质传输。XAUI一般用于堆栈或者作为数据干路的10 GbE交换卡。每个GbE接口是10 Mb/s, 100 Mb/s,和1 Gb/s自适应, 或者通过链接代理得到多种速率，提供高性能连接。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1/10 GbE交换芯片将很快投入市场，每个口
15、运行速度可以在1,2.5,5,和10 Gb/s。优化的1和10 GbE NIC芯片即将投入市场，它可以通过远程直接内存访问(RDMA)和TCP卸载引擎（TOE)消除网络瓶颈(举例来说：一个10 GbE RDMA/TOE NIC芯片可以达到800-MBytes/s，并且占用最小的处理器周期进行大的数据传输)由于采用RDMA和TOE技术减轻了1/10 GbE终端节点的瓶颈和TCP/IP协议握手所花费的处理器额外负载，使得GbE还可以应用到低延迟，高吞吐量和确定操作的嵌入式高性能聚合应用中。在商业领域中，1 GbE 和10 GbE 能否迅速的应用到大多数主要的军用平台的决定因素，是降低成本提高性能。2.2 串行RapidIO 发展壮大SRIO, 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，自动目标识别以及信号智能等高性能数据传输扮演越来越重要的角色。SRIO综合了许多的重要特性，使它比PCI Express和以太网更适合组建大量的处理器间通信的大型多处理器系统。采用传统的S
