低壓差分SerDes的全雙工互連和分組數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

由于現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體工藝、并行處理和互連與傳輸技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代高性能dsp的處理能力得到極大發(fā)展。但在移動(dòng)通信、雷達(dá)信號(hào)處理和實(shí)時(shí)圖像處理等復(fù)雜電子系統(tǒng)中，單片dsp的性能仍可能無(wú)法滿足需求，通常需要使用多片dsp構(gòu)成并行信號(hào)處理系統(tǒng)。

　　在多dsp系統(tǒng)中，互連技術(shù)連接dsp、接口及其他處理器，一起構(gòu)成系統(tǒng)的靜態(tài)體系結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)傳輸的中間介質(zhì)的總和。互連技術(shù)傳輸代表計(jì)算任務(wù)、中間數(shù)據(jù)、結(jié)果或狀態(tài)控制信息的數(shù)據(jù)流，使接口與dsp中的算法模塊通過(guò)數(shù)據(jù)流動(dòng)態(tài)地連接起來(lái)，整合成分工協(xié)作的有機(jī)整體。

　　已經(jīng)有一些對(duì)多dsp并行系統(tǒng)互連技術(shù)的綜述[1][2] [3][4][5][6]，但還不夠全面而且沒(méi)有反映高性能dsp互連技術(shù)的最新進(jìn)展。因此，本文以世界主流公司的典型高性能dsp產(chǎn)品為例，全面總結(jié)概括高性能dsp的互連接口技術(shù)及其發(fā)展，對(duì)其互連特性進(jìn)行總結(jié)和歸納分類，在此基礎(chǔ)上全面總結(jié)給出并行信號(hào)處理系統(tǒng)中多dsp互連設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)考慮和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

　　高性能dsp互連接口技術(shù)及其發(fā)展

　　多dsp系統(tǒng)的互連以dsp自身接口為基礎(chǔ)，下面以TI、ADI和Freescale三家公司的高性能dsp為例系統(tǒng)概括現(xiàn)有的dsp互連接口，見(jiàn)表1。

　　現(xiàn)有dsp的互連接口在物理層和傳輸控制上的特性是選擇使用互連技術(shù)的基礎(chǔ)，表2是對(duì)表1中所有的dsp互連接口的互連特性的總結(jié)。

　　表1 主流dsp公司典型高性能dsp的互連接口

　　可以看出，在越來(lái)越高的傳輸速率需求的推動(dòng)下，高性能dsp互連接口在物理層技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：從高電壓擺幅→低電壓擺幅，從單端信號(hào)→差分信號(hào);從并行總線→串行信號(hào)線;從收發(fā)異步→收發(fā)外同步→源同步→串行碼流中嵌入時(shí)鐘的串行器/解串行器(SerDes);從半雙工→全雙工;從多點(diǎn)分時(shí)共享總線→點(diǎn)-點(diǎn)的專用互連;最終使接口傳輸速率從幾十Mbps發(fā)展到目前的10Gbps。

　　數(shù)據(jù)的串行化意味著數(shù)據(jù)必須以分組方式傳輸。而由于信號(hào)完整性問(wèn)題，高速串行差分線一般不允許多點(diǎn)負(fù)載，因此基于SerDes的互連一般是點(diǎn)到點(diǎn)的直接互連。當(dāng)dsp數(shù)量較少時(shí)，可以采用dsp間兩兩的直接互連;當(dāng)dsp數(shù)量較多時(shí)，須要采用中間dsp或用于數(shù)據(jù)傳輸的中間器件—交換機(jī)。

　　因此，物理層技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)著高性能dsp的主要互連技術(shù)從多點(diǎn)并行總線轉(zhuǎn)向高速串行直連和分組傳輸交換。例如TI在2008年10月發(fā)布的3核dsp TMS320C6474、Freescale在2008年11月發(fā)布的6核dsp MSC8156，都已經(jīng)取消傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)、地址和控制三總線接口而代之以sRIO、GE之類的標(biāo)準(zhǔn)分組交換網(wǎng)絡(luò)接口以及AIF這樣的高速直連接口。

　　根據(jù)傳輸特性對(duì)互連技術(shù)的分類

　　互連的目的滿足接口及算法鏈路的數(shù)據(jù)傳輸需要，因此互連特性往往與傳輸特性緊密相關(guān)。各種互連技術(shù)雖各有不同，但可以根據(jù)互連與傳輸?shù)墓残赃M(jìn)行統(tǒng)一分類，有助于理解并選擇合適的互連技術(shù)。表3是根據(jù)互連與傳輸?shù)奶匦詫?duì)現(xiàn)有主要dsp互連技術(shù)的分類總結(jié)。圖1~圖4是對(duì)典型互連技術(shù)實(shí)例的圖示。

　　表3 互連與傳輸技術(shù)的分類總結(jié)

　　對(duì)表3補(bǔ)充說(shuō)明如下：多點(diǎn)總線為多dsp共享并分時(shí)占用，不能多數(shù)據(jù)流并發(fā)傳輸。多點(diǎn)主從總線可能有主總線的橋接轉(zhuǎn)換，例如PCI-HPI的PCI2040(TI)、PCI-Local總線的PCI9054(PLX)。傳統(tǒng)互連中的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程一般都需要源、中間或目的處理器的顯性或隱性(例如TDM中的時(shí)隙分配)地直接參與。而基于交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)互連則一般不需要。間接傳輸中的中介器件、dsp或交換機(jī)可以根據(jù)需要級(jí)聯(lián)。接口轉(zhuǎn)換橋方式連接標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例有：專用于ADI公司SHARC及TigerSHARC的SharcFin和FINe(Bittware)、通用的TSI620(Tundra)。高端FPGA由于其豐富的接口、對(duì)幾乎所有互連標(biāo)準(zhǔn)的有效支持、使用的靈活性和高性能的計(jì)算處理能力，也會(huì)在多dsp的互連中發(fā)揮重要作用。

　　在2003年RapidIO成為ISO/IEC 18372標(biāo)準(zhǔn)之前，還沒(méi)有規(guī)范的多dsp互連網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，各廠商推出了多種非標(biāo)準(zhǔn)dsp互連網(wǎng)絡(luò)、接口和交換芯片，例如：Solano(Spectrum Signal)、StarFabric(StarGen)、FPDP/sFPDP(ICS/VITA)、RaceWay(Mercury)、 SKYChannel(SKY Computer)。RapidIO是在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，特別針對(duì)高性能dsp或嵌入式系統(tǒng)互連優(yōu)化，其產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)基本成熟，并開(kāi)始逐步取代這些非標(biāo)準(zhǔn)互連技術(shù)。

　　圖1 典型直接互連：鏈?zhǔn)?、星型、陣?/span>

　　圖2 典型多點(diǎn)總線直接互連：對(duì)等總線、主從總線

　　圖3 典型非網(wǎng)絡(luò)間接互連：存儲(chǔ)器中介(雙口、FIFO、共享)、FPGA