摘要:隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,大量的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、圖形等信息需要計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和處理,用戶對(duì)高性能、高帶寬、抗惡劣環(huán)境計(jì)算平臺(tái)也提出了越來(lái)越高的要求。本文提出一種基于VPX總線設(shè)計(jì)的高級(jí)計(jì)算平臺(tái),為高性能、高帶寬、適應(yīng)惡劣環(huán)境計(jì)算平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)路線和方法。
關(guān)鍵詞:VPX總線高級(jí)計(jì)算平臺(tái)多CPU高速互聯(lián)智能平臺(tái)管理軟件
第一作者介紹:陳志列(1963年),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)樘胤N計(jì)算機(jī)
AdvancedComputingPlatformBasedonVPXBus
Abstract:Alongwiththerapiddevelopmentoftheinformationtechnologyandthecomputertechnology,alargequantityofinformationsuchasvoice,data,imageandgraphics,etcrequiresreal-timeperceptionandprocessing;higherrequirementsareraisedforthehighperformance,highbandwidthandhushenvironmentresistantcomputingplatform.AnadvancedcomputingplatformbasedonVPXbusisdiscussedinthepaper,whichprovidesthetechnologyroutesandmethodstorealizethehigh-performance,highbandwidthandhushenvironmentresistantcomputingplatform.
Keywords:VPXbus;advancedcomputingplatform;versatileCPUhigh-speedinterconnection;intelligentplatformmanagementsoftware
引言
隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,未來(lái)社會(huì)將是一個(gè)高效的數(shù)字化社會(huì),大量的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像、圖形等信息需要計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知和處理。而伴隨著計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的深入,特別是在航空航天控制、海底勘探考察、地震火山的災(zāi)難檢測(cè)、大規(guī)模導(dǎo)彈發(fā)射控制、雷達(dá)監(jiān)測(cè)及電子對(duì)抗、以及地外星球科考等高端測(cè)控領(lǐng)域,用戶對(duì)高性能、抗惡劣環(huán)境計(jì)算平臺(tái)也提出了越來(lái)越高的要求,使得傳統(tǒng)的并行總線正在逐漸退出歷史舞臺(tái),出現(xiàn)了新一代的串行總線。但在惡劣環(huán)境適應(yīng)性方面,商用總線技術(shù)在堅(jiān)固性方面不能長(zhǎng)期適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的需求,而在接口的模塊化、動(dòng)態(tài)重組等方面也難以滿足應(yīng)用需要,其可靠性不高且維修極不方便。并且近年來(lái)CPCI總線工控機(jī)和VME總線工控機(jī)處在一個(gè)共同競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展的并存狀況[1],由于先入為主的緣故,VME總線在高性能的實(shí)時(shí)工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域一直處于主導(dǎo)地位。但CPCI后來(lái)居上,其開(kāi)放性的架構(gòu)體系和通用的操作系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì),使CPCI總線自誕生起在PC機(jī)、工控機(jī)和軍用裝備等各個(gè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注并被普遍采用。遺憾的是,在這個(gè)以帶寬為生命的海量數(shù)據(jù)時(shí)代,目前這兩種總線均顯得力不從心。迫于生存和競(jìng)爭(zhēng),VITA于2006年首次推出VPX總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(VITA46)和REDI加固增強(qiáng)的機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范(VITA48),不僅在帶寬上突破Gigabytes傳輸,而且非常好的解決了加固,高速互聯(lián),管理等各個(gè)方面的問(wèn)題,可以廣泛的應(yīng)用在航空、航天、雷達(dá)、海底勘探、通信等領(lǐng)域。
VPX總線的發(fā)展歷史
VPX(VersatileProtocolSwitch多協(xié)議交換)是由VITA(VMEbusInternationalTradeAssociation)組織制定的用以滿足惡劣環(huán)境下高可靠性、高帶寬要求的下一代高級(jí)計(jì)算平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。由原先的VME(VersaModuleEurocard)總線升級(jí)而來(lái),并且兼容了XMC、FibreChannel、PCI-Express、RapidIO、Hypertransport等高速串行總線協(xié)議。誕生于近30年前的VME總線是一種通用的計(jì)算機(jī)總線,結(jié)合了Motorola公司Versa總線的電氣規(guī)范和Eurocard機(jī)械封裝標(biāo)準(zhǔn),是一種開(kāi)放式架構(gòu),支持并獨(dú)立于多處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1984年,VITA成立,致力于推動(dòng)VME總線的市場(chǎng)和發(fā)展。1987年,VME總線被IEEE正式接納為萬(wàn)用背板總線(VersatileBackPlaneBus)標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為ANSI/IEEE-1014,總線接口為兩個(gè)96芯的針孔連接器,數(shù)據(jù)寬度為32位,帶寬為40MB/s,市場(chǎng)名稱為VME32。伴隨電子技術(shù)的發(fā)展,VITA先后多次推出升級(jí)版本,如VME64、VME64x、VME320。其中,VME64數(shù)據(jù)寬度從原先的32位擴(kuò)展為64位,把P1/J1和P2/J2連接器從三行96針改為5行160針,帶寬為80MB/s,增加了總線鎖定周期和第一插槽探測(cè)功能,并加入了對(duì)熱插拔的支持;VME64x相對(duì)于VME64,在P1/J1和P2/J2之間加入了一個(gè)P0/J0連接器,傳輸協(xié)議從四沿傳輸變?yōu)殡p沿信號(hào)傳輸,數(shù)據(jù)速率可達(dá)到160MB/s;其后VME320在VME64x基礎(chǔ)上進(jìn)一步采用雙沿源同步傳輸協(xié)議(2eSST),可將理論帶寬提高到320MB/s,但用戶對(duì)VME的帶寬進(jìn)展速度不滿意,此外,設(shè)備性能的大幅提高也帶來(lái)了發(fā)熱量迅速增加和可靠性降低等派生問(wèn)題。近幾年,為了滿足更大帶寬和更強(qiáng)制冷能力的要求,VITA先后推出VXS(VITA41)、VPX(VITA46)和REDI(VITA48)等一系列新的模塊標(biāo)準(zhǔn)。其中,VPX全部采用的MultiGigRT2連接器具有連接緊密、插入損耗小和誤碼率底等優(yōu)點(diǎn);通過(guò)結(jié)合REDI構(gòu)成的VPX-REDI平臺(tái)可以滿足苛刻環(huán)境和大帶寬的需求。
VPX定義了新型的高速連接器標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)模塊最多支持728個(gè)信號(hào)引腳,所有連接器均支持高速差分信號(hào),能夠支持PCI-Express,10GEthernet,SerialRapidIO等協(xié)議;定義了風(fēng)冷,傳導(dǎo),水冷等5種加固散熱結(jié)構(gòu);定義了中央交換,分布式交換的背板結(jié)構(gòu);定義了模擬信號(hào)和光信號(hào)的模塊背板互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn);定義了電源標(biāo)準(zhǔn);定義了基于IPMI的智能管理,非常好的解決了加固,高速互聯(lián),管理等各個(gè)方面的問(wèn)題。
基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題
基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái),需要研究多協(xié)議高速互連、高性能CPU硬件平臺(tái)、高可靠性保護(hù)、智能管理、冗余設(shè)計(jì)、傳導(dǎo)散熱結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。要解決如下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題:1)VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題,平臺(tái)需滿足對(duì)航空航天控制、導(dǎo)彈/火箭發(fā)射、海底勘探、災(zāi)難監(jiān)測(cè)等抗沖擊能力強(qiáng)、溫度變化劇烈下的環(huán)境應(yīng)用要求,因此需要解決VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的連接可靠性、環(huán)境適應(yīng)性的難題;2)VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的多核CPU的AMP、SMP處理問(wèn)題,平臺(tái)的處理板均采用多核處理器,而產(chǎn)品在應(yīng)用中需要采用對(duì)稱多處理模式、非對(duì)稱多處理模式或者兩者結(jié)合的方式,這就要求對(duì)多核處理做深入研究,實(shí)現(xiàn)SMP和AMP方式,以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求;3)多CPU高速互聯(lián)總線協(xié)同處理問(wèn)題,平臺(tái)需要支持PCI-E/SerialRapidIO/Ethernet互聯(lián),需要能支持多塊處理板通過(guò)互聯(lián)總線實(shí)現(xiàn)多CPU處理,實(shí)現(xiàn)同步或異步的協(xié)同處理機(jī)制,在VPX智能平臺(tái)系統(tǒng)板上還需實(shí)現(xiàn)SerialRapidIO協(xié)議棧,解決SerialRapidIO互聯(lián),多CPU啟動(dòng)機(jī)制,多CPU配置等技術(shù)難題;4)高度靈活的XMC/PMC擴(kuò)展問(wèn)題,平臺(tái)的處理板需要支持XMC/PMC擴(kuò)展,支持各種存儲(chǔ)板、DSP板、交換板等,因XMC走線多為差分信號(hào),對(duì)信號(hào)質(zhì)量提出了很高的要求,同時(shí)為了加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性,處理板均有三層鋁合金保護(hù)殼,布局布線均有諸多限制;5)智能平臺(tái)管理控制問(wèn)題,平臺(tái)每塊單板包括一個(gè)單獨(dú)的處理模塊(VMC),用來(lái)實(shí)現(xiàn)IPMI功能對(duì)整個(gè)機(jī)箱進(jìn)行管理,此模塊獨(dú)立于主處理模塊,實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)監(jiān)控,模塊上下電等功能,需要軟硬件協(xié)調(diào)配合才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的風(fēng)扇監(jiān)控、溫度監(jiān)控、電壓監(jiān)控等功能;6)多層次數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)問(wèn)題,平臺(tái)支持四個(gè)層次的通道:采用全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PCI-Express/Serial-RapidIO/10GEthernet的數(shù)據(jù)通道,采用雙星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的千兆以太控制通道,基于I2C的IPMI冗余總線以及通用總線,它們之間的交互以及協(xié)同處理需要統(tǒng)一考慮。
基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的架構(gòu)[2]
本論文設(shè)計(jì)的基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)參照VPX系列協(xié)議VITA46、VITA48規(guī)范、VITA65標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn),其架構(gòu)如圖1所示包括4類(lèi)通道:通用通道,IPMI通道,數(shù)據(jù)通道和控制通道。
通用通道實(shí)現(xiàn)總線拓?fù)?,其中包括了電源通道提供不同伏值的電源、?fù)位通道、模塊地址配置等。IPMI通道實(shí)現(xiàn)冗余總線拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)兩條總線型的IPMI通道。發(fā)送方在兩個(gè)通道同時(shí)發(fā)送相同的數(shù)據(jù),而接收方VMC接收進(jìn)程實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)通道的狀態(tài),其正常工作時(shí)使用其中的一個(gè)通道,當(dāng)出現(xiàn)延遲或者鏈路斷開(kāi)時(shí),VMC接收方自動(dòng)切換到另一通道。數(shù)據(jù)通道提供在1-5槽實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)狀拓?fù)湓O(shè)計(jì),用于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的高速傳輸,其每個(gè)槽位作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),與其他四個(gè)槽位分別實(shí)現(xiàn)4X全雙工通信??刂仆ǖ劳ㄟ^(guò)第六槽交換槽實(shí)現(xiàn)雙星冗余拓?fù)洌换グ遄鳛橹醒虢粨Q單元,每個(gè)處理槽位有兩個(gè)千兆以太網(wǎng)通道同中央交換單元互聯(lián),中央交換單元將每個(gè)通道連接到一個(gè)交換矩陣,實(shí)現(xiàn)雙星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
圖1VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)圖
VPX背板用來(lái)互聯(lián)各個(gè)處理模塊及后IO模塊,交換模塊,周邊模塊,存儲(chǔ)模塊,提供四種通路以及SATA等用戶可自定義的通道。背板還互聯(lián)電源模塊和其它模塊,除此之外,背板為IPMI管理還提供了一個(gè)存儲(chǔ)單元,用于存儲(chǔ)CHMC的SDR,SEL等信息。本論文設(shè)計(jì)的平臺(tái)背板為6U、6槽的VPX背板,其中5個(gè)Payload(負(fù)載)槽位,1個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制交換槽。5個(gè)Payload槽的數(shù)據(jù)通道(J1)進(jìn)行分布式互連,每個(gè)槽位有4路×4的差分信號(hào)(PCI-Express或者Serial-RapidIO),可分為A、B、C、D四個(gè)通道,分別與其它4個(gè)槽位的A、B、C、D四個(gè)通道進(jìn)行互連,其連接方案如圖2所示。
圖2背板數(shù)據(jù)通道互連框圖
基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的具體設(shè)計(jì)[3]
本論文具體設(shè)計(jì)中主要介紹了基于FreescaleQorIQP40808核CPU并支持SerialRapidIO/PCI-Express交換的VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)處理板,基于MPC8377和Broadcom方案的VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)交換板,VPX智能平臺(tái)管理軟件等。
基于FreescaleQorIQP4080[4]的8核CPU的處理板
VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)處理板是VPX系統(tǒng)的核心,它通過(guò)VPX背板和其他處理板或周邊板配合完成業(yè)務(wù)需求。比如它可以通過(guò)PCI-E互聯(lián)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),存儲(chǔ),顯示等周邊功能,也可以通過(guò)RapidIO互聯(lián)擴(kuò)展DSP,F(xiàn)PGA等用于處理數(shù)字信號(hào),圖像語(yǔ)音處理。除此之外,VPX處理板提供了兩個(gè)PMC/XMC擴(kuò)展槽,可以用于擴(kuò)展1553B等軍用總線。采用PowerPC最新的QorQ平臺(tái),8核CPUP4080,同時(shí)支持PCI-Express和SerialRapidIO板內(nèi)交換,如圖3所示。
圖3基于FreescaleQorIQP4080的8核CPU的處理板
采用PowerPC最新的QorIQ平臺(tái),8核CPUP4080,支持對(duì)稱多處理和非對(duì)稱多處理,并能實(shí)現(xiàn)一塊CPU支持多種操作系統(tǒng),圖4為該處理板的多核方案:
圖4多核CPU方案
在本論文VPX平臺(tái)上我們將同時(shí)支持Linux的SMP系統(tǒng),VxWorks的SMP和AMP系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)一顆CPU多操作系統(tǒng)的配置,或某些單獨(dú)的核實(shí)現(xiàn)RAWCODE。
針對(duì)多CPU高速互聯(lián)總線協(xié)同處理問(wèn)題:我們采用的解決方案是通過(guò)在處理板上增加PCI-Express和Serial-RapidIO交換,以PCI-Express交換提供周邊擴(kuò)展,以Serial-RapidIO交換實(shí)現(xiàn)多CPU協(xié)同工作。提供啟動(dòng)Flash,每個(gè)Flash中劃分8個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域提供一個(gè)Bootloader和操作系統(tǒng),并實(shí)現(xiàn)兩塊flash冗余,用以支持AMP的多核處理。系統(tǒng)啟動(dòng)后,由第一槽(系統(tǒng)槽)首先啟動(dòng),其啟動(dòng)代碼對(duì)Serial-RapidIO進(jìn)行配置,配置轉(zhuǎn)發(fā)端口和路由策略,配置成功后啟動(dòng)其他CPU的Bootloader,啟動(dòng)其他CPU。
針對(duì)多核CPU的AMP、SMP處理問(wèn)題:基于P4080的VPXSBC支持SMP和AMP模式。系統(tǒng)提供大容量的NORFlash并進(jìn)行分區(qū)。高端地址用于存放啟動(dòng)代碼,低端地址用于存放用戶數(shù)據(jù)。啟動(dòng)代碼區(qū)被分為16個(gè)部分,為P4080中的每一個(gè)內(nèi)核提供2個(gè)可選的啟動(dòng)區(qū)域。為避免因Flash數(shù)據(jù)被破壞而無(wú)法啟動(dòng),系統(tǒng)提供了一個(gè)ROM存放啟動(dòng)代碼,用于系統(tǒng)恢復(fù)。
基于MPC8377和Broadcom方案的交換板
VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的交換板主要是提供控制通道的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交換,我們?cè)趯?shí)現(xiàn)時(shí)采用單交換矩陣,共劃分為兩個(gè)VLAN,每個(gè)VLAN內(nèi)包括處理板,周邊板的一路千兆以太網(wǎng)接口。提供二三層交換路由協(xié)議STP,RSTP,MSTP,RIP,OSPF,IGMP等,提供二三層協(xié)議處理和路由交換管理;對(duì)用戶提供CLI,WEB,SNMP的管理接口;提供IPMI的機(jī)架管理功能CHMC,對(duì)VPX平臺(tái)內(nèi)的所有VMC的SDR,SEL,F(xiàn)RU,Sensor進(jìn)行管理,同時(shí)提供對(duì)熱插拔的支持;支持OpenVPXSLT6-SWH-4F24T-10.4.4,使用MPC8377CPU和Broadcom交換芯片,支持單矩陣交換。
圖5VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)交換板框圖
VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)的交換板實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示。數(shù)據(jù)層面采用Broadcom千兆交換芯片,提供L2表,路由表,組播表,ACL,VLAN等功能進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),管理層面采用freescaleMPC8377處理器,運(yùn)行各種協(xié)議,實(shí)現(xiàn)管理接口。
VPX高級(jí)計(jì)算平臺(tái)管理軟件
圖6為VPX系統(tǒng)管理軟件的架構(gòu)[5]圖,根據(jù)功能從上往下依次可以劃分為:系統(tǒng)管理層、平臺(tái)管理層和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層。其中系統(tǒng)管理是上層管理軟件,向用戶提供一個(gè)系統(tǒng)管理接口;平臺(tái)管理則是VPX系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)的核心部分,位于VPX系統(tǒng)管理軟件架構(gòu)的中間層,負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)管理,向上與SystemManager通信,向下與VMC控制器進(jìn)行通信;系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層包括操作系統(tǒng)移植和驅(qū)動(dòng)程序。
圖中中間框起來(lái)的部分為平臺(tái)管理的核心部分,由一個(gè)MessageHandler和若干平臺(tái)管理功能模塊組成。根據(jù)所管理范圍的不同,我們將這些管理模塊分成ChassisManagement和BoardManagement兩部分,其中ChassisManagement包括SEL、PEF、FRUDiscover&Control、CoolingManagement以及PowerSupplyManagement;BoardManagement包括SDRManagement、FRUInfornationManagement、FRUStateManagement、SensorManagement(FRUHealthMonitor、ThresholdSensorPolling以及Self&PayloadTest)。平臺(tái)管理軟件在初始化的時(shí)候獲取SYS_CON*信號(hào)狀態(tài)(或者直接根據(jù)槽位號(hào)),如果為低則啟動(dòng)ChassisManagement功能,否則僅啟動(dòng)BoardManagement功能。
為了調(diào)試和管理的方便,本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)嵌的CLI接口,該CLI接口通過(guò)CHMC的調(diào)試串口同用戶交互,可以用于本地實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的查詢和操作命令,如SEL查詢及清理、SDR和FRU信息的查詢、Sensor列表及狀態(tài)的查詢、FRUControl操作等。
圖6VPX系統(tǒng)管理軟件的架構(gòu)圖
針對(duì)智能平臺(tái)管理控制,每塊單板包括一個(gè)單獨(dú)的處理模塊,用來(lái)實(shí)現(xiàn)IPMI功能對(duì)整個(gè)機(jī)箱進(jìn)行管理,此模塊獨(dú)立于主處理模塊,實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)監(jiān)控,模塊上下電等功能,需要軟硬件協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)。采用脈寬調(diào)制方法由IPMI控制風(fēng)扇工作狀態(tài),每個(gè)風(fēng)扇各自配有故障告警信號(hào)和風(fēng)速控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行風(fēng)扇監(jiān)控。在交換控制板、背板和節(jié)點(diǎn)板上設(shè)置溫度傳感器,交換控制板通過(guò)IPMI接口對(duì)各發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)來(lái)進(jìn)行溫度監(jiān)控。交換控制板和節(jié)點(diǎn)板上電壓種類(lèi)較多,一旦電壓波動(dòng)超出系統(tǒng)要求范圍,需要交換控制板CPU進(jìn)行報(bào)警,由IPMI接口控制觸發(fā)電壓保護(hù)電路來(lái)進(jìn)行電壓監(jiān)控保護(hù)。
總結(jié)
本設(shè)計(jì)平臺(tái)性能高、帶寬高、穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng),維護(hù)方便,適用于惡劣工作環(huán)境。本設(shè)計(jì)平臺(tái)產(chǎn)品已在不同環(huán)境下進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好。伴隨著信息與工業(yè)化不斷融合,計(jì)算機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的不斷深入,基于VPX總線的高級(jí)計(jì)算平臺(tái)必將在未來(lái)數(shù)字化社會(huì)里被廣泛應(yīng)用。
[參考文獻(xiàn)]
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