低壓差分SerDes的全雙工互連和分組數據傳輸技術

由于現代數字信號處理器(dsp)設計、半導體工藝、并行處理和互連與傳輸技術的進步，現代高性能dsp的處理能力得到極大發展。但在移動通信、雷達信號處理和實時圖像處理等復雜電子系統中，單片dsp的性能仍可能無法滿足需求，通常需要使用多片dsp構成并行信號處理系統。

　　在多dsp系統中，互連技術連接dsp、接口及其他處理器，一起構成系統的靜態體系結構，是數據傳輸的中間介質的總和。互連技術傳輸代表計算任務、中間數據、結果或狀態控制信息的數據流，使接口與dsp中的算法模塊通過數據流動態地連接起來，整合成分工協作的有機整體。

　　已經有一些對多dsp并行系統互連技術的綜述[1][2] [3][4][5][6]，但還不夠全面而且沒有反映高性能dsp互連技術的最新進展。因此，本文以世界主流公司的典型高性能dsp產品為例，全面總結概括高性能dsp的互連接口技術及其發展，對其互連特性進行總結和歸納分類，在此基礎上全面總結給出并行信號處理系統中多dsp互連設計的總體設計考慮和實際經驗。

　　高性能dsp互連接口技術及其發展

　　多dsp系統的互連以dsp自身接口為基礎，下面以TI、ADI和Freescale三家公司的高性能dsp為例系統概括現有的dsp互連接口，見表1。

　　現有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的基礎，表2是對表1中所有的dsp互連接口的互連特性的總結。

　　表1 主流dsp公司典型高性能dsp的互連接口

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

　　數據的串行化意味著數據必須以分組方式傳輸。而由于信號完整性問題，高速串行差分線一般不允許多點負載，因此基于SerDes的互連一般是點到點的直接互連。當dsp數量較少時，可以采用dsp間兩兩的直接互連;當dsp數量較多時，須要采用中間dsp或用于數據傳輸的中間器件—交換機。

　　因此，物理層技術的發展推動著高性能dsp的主要互連技術從多點并行總線轉向高速串行直連和分組傳輸交換。例如TI在2008年10月發布的3核dsp TMS320C6474、Freescale在2008年11月發布的6核dsp MSC8156，都已經取消傳統意義上的數據、地址和控制三總線接口而代之以sRIO、GE之類的標準分組交換網絡接口以及AIF這樣的高速直連接口。

　　根據傳輸特性對互連技術的分類

　　互連的目的滿足接口及算法鏈路的數據傳輸需要，因此互連特性往往與傳輸特性緊密相關。各種互連技術雖各有不同，但可以根據互連與傳輸的共性進行統一分類，有助于理解并選擇合適的互連技術。表3是根據互連與傳輸的特性對現有主要dsp互連技術的分類總結。圖1~圖4是對典型互連技術實例的圖示。

　　表3 互連與傳輸技術的分類總結

　　對表3補充說明如下：多點總線為多dsp共享并分時占用，不能多數據流并發傳輸。多點主從總線可能有主總線的橋接轉換，例如PCI-HPI的PCI2040(TI)、PCI-Local總線的PCI9054(PLX)。傳統互連中的數據傳輸過程一般都需要源、中間或目的處理器的顯性或隱性(例如TDM中的時隙分配)地直接參與。而基于交換機的網絡互連則一般不需要。間接傳輸中的中介器件、dsp或交換機可以根據需要級聯。接口轉換橋方式連接標準網絡的實例有：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、對幾乎所有互連標準的有效支持、使用的靈活性和高性能的計算處理能力，也會在多dsp的互連中發揮重要作用。

　　在2003年RapidIO成為ISO/IEC 18372標準之前，還沒有規范的多dsp互連網絡標準，各廠商推出了多種非標準dsp互連網絡、接口和交換芯片，例如：Solano(Spectrum Signal)、StarFabric(StarGen)、FPDP/sFPDP(ICS/VITA)、RaceWay(Mercury)、 SKYChannel(SKY Computer)。RapidIO是在這些技術的基礎上發展起來的，特別針對高性能dsp或嵌入式系統互連優化，其產業鏈已經基本成熟，并開始逐步取代這些非標準互連技術。

　　圖1 典型直接互連：鏈式、星型、陣列

　　圖2 典型多點總線直接互連：對等總線、主從總線

　　圖3 典型非網絡間接互連：存儲器中介(雙口、FIFO、共享)、FPGA