（计算机应用技术专业论文）基于fpga的sci高速串行通信接口的研究与设计.pdf

摘要 本项目是厦门大学计算机系与清华大学智能技术与系统国家重点实验室合 作的国家军工8 6 3 项目一飞控计算机通讯卡子课题的进一步引伸。 s c i 协议是一种可支持高性能多处理器，一致性内存共享，高度可扩展的互 联标准。无论是在小型系统还是大规模并行系统中，s c i 都能体现其优越性。因 为s c i 接口能将所有功能模块集成在单块集成电路中，极大的降低系统成本，因 而比总线结构更具有优势。s c l 支持多种不同的配置方案，从简单的环到多层交 换网络；相邻节点间采用点对点的单向链路，简化物理实现；s c l 支持事务的并 发处理，极大提高系统效率。另外，s c i 采用6 4 位固定寻址模式，一个系统可 支持的节点数高达6 4 k 。由于一个节点又可以包括多个处理器，因而这种寻址模 式足以支持今后的超大规模并行系统的升级。 本论文的重点之一是对s c i 协议进行分析与研究。对协议中定义的节点类 型，链路类型，拓扑结构，各种数据包的格式，事务，包的编码解码，c r c 校验， 寻址模式，系统初始化，和分配协议等几个方面进行详细介绍与分析。另一个重 点是在f p g a 芯片上设计基于s c i 协议的高速串行通信接口模型，并对整个方案 进行仿真测试。结果证明该接口设计方案确实合理可行，为下一步工作奠定了基 础。 另外，本文简单介绍了基于f p g a 的数字电路设计基本原理和相关的开发工 具。 最后，本文介绍了s c i 协议在实时性功能上的局限性，以及目前正在研究中 的s c i 实时性扩展技术。主要分析了i e e e 正在研究制定的d f c 协议。并针对s c i 协议在实时系统中的应用和d f c 扩展协议提出了个人观点。 关键字：s c i 协议分析；f p g a ：高速串行接口 a b s t r a c t t h i si st h ef u r t h e re x t e n s i o no ft h es u b t a s ko ft h e8 6 3n a t i o n a lp r o j e c t si n m i l i t a r yi n d u s t r y ：c o m m u n i c a t i o nc a r di nf l i g h tc o n t r o l ，w h i c hh e l db yt h ec o m p u t e r s c i e n c ed e p a r t m e n to fx i a m e nu n i v e r s i t ya n dt h en a t i o n a lm a j o rl a b o r a t o r yi n i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g ya n ds y s t e mo f t s i n g h u au n i v e r s i t y s c i ( s c a l a b l ec o h e r e n ti n t e r f a c e ) i s a ni n t e r f a c es t a n d a r df o rv e r yh i g h p e r f o r m a n c em u i t i p r o c e s s o rs y s t e m s i ts u p p o r t sac o h e r e n ts h a r e d m e m o r ym o d e l s c i sl o wp i nc o u n t sa n ds i m p l er i n gt o p o l o g ym a k ei tc o s t e f f e c t i v ef o rs m a l l s y s t e m sa sw e l la sf o rt h em a s s i v e l yp a r a l l e lo n e s s c is u p p o r t sm a n yd i f f e r e n t i n t e r c o n n e c t c o n f i g u r a t i o n s ，r a n g i n g f r o m s i m p l er i n g t o c o m p l e xm u l t i s t a g e s w i t c h i n gn e t w o r k s s c iu s e sp o i n t t o - p o i n tu n i d i r e c t i o n a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n n e i g h b o r i n gn o d e s ，g r e a t l yr e d u c i n gt h en o n i d e a lt r a n s m i s s i o n l i n ep r o b l e m s al a r g e n u m b e ro fr e q u e s t sc a nb eo u t s t a n d i n ga tt h es a n l et i m e ，m a k i n gs c lw e l ls u i t e df o r h i 曲一p e r f o r m a n c em u l t i p r o c e s s o rs y s t e m s s c ia l l o w su pt o 6 4 kn o d e st ob e c o n n e c t e di nas i n g l es y s t e m s i n c ee a c hn o d ec o u l di t s e l f b em u l t i p r o c e s s o r s ，t h es c i a d d r e s s i n gm e c h a n i s mw i l lb es u f f i c i e n tt os u p p o r tt h en e x tg e n e r a t i o no fm a s s i v e l y p a r a l l e lc o m p u t e rs y s t e m s o n ek e yp o i n to ft h i st h e s i si sa n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h es c ip r o t o c 0 1 i t d i s c u s s e st h en o d e ，l i n k ，t o p o l o g y , p a c k a g e ，t r a n s a c t i o n , p a c k a g ee n c o d i n g ，c r c ， a d d r e s s i n g ，s y s t e mi n i t i a l i z a t i o na n ds of o r t hi nd e t a i l a n o t h e rk e yp o i n ti sd e s i g n i n g as c i b a s e dh i g hs p e e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew i t hf p g a t h es i m u l a t i o n a n dt e s tp r o v e st h a tt h i sd e s i g ni sl o g i c a la n df e a s i b l e ，a n di t st h eb a s eo fo u rf u r t h e r r e s e a r c h b e s i d e s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sb a s i cp r i n c i p l e sa n dt o o l si nf p g ad i g i t a l c i r c u i td e s i g n f i n a l l y , t h i st h e s i sd i s c u s s e st h el i m i t a t i o no fs c ip r o t o c o li nr e a l t i m es y s t e m s ， a n da n a l y z e st h es c ir e a l t i m ee x t e n s i o nt e c h n o l o g i e sn o wi nr e s e a r c hb yi e e e ， f o c u s i n go nt h e d i r e c t e df l o wc o n t r o lp r o t o c o l ( d f c ) p r o p o s e db ys c i r t w o r k g r o u p a tl a s t ，p u tf o r w a r ds o m ep e r s o n a lv i e w sa b o u tt h ee x t e n s i o na n d a p p l i c a t i o no fs c ii nr e a l t i m es y s t e m s k e y w o r d s ：s c ip r o t o c o la n a l y s i s ；f p g a ；h i g hs p e e ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 荔珀 o x 矽 月饼“ 名 签 k 如 吼 f言 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者躲托荔隗加例月f 日 导师签名： 日期：加年月，日 陋 蔓= 重堑堡 第一章绪论 1 1 概述 集群计算，大规模并行系统，高度实时等名词已在业界越来越普遍。计算机 技术发展至今早己不满足于是否可用，而是对可靠性，实时性不断提出更高的要 求。并行技术发展至今，受集成技术工艺的限制，虽然增加并行总线宽度可以提 高数据吞吐率，但是，总线数目及传输速率的加快会陡增p c b 布线的难度和信 号的延时或偏移，同时极容易受到电磁干扰( e m i ) 的影响，并且自身也会产生 电磁于扰，从而使总线数据吞吐率的提高面临一个极限。 一直以来，业晁普遍认为串行i o 浪潮不可避免。在高于1g b p s 的速度下， 并行i 0 方案遇到了物理限制，不能再提供可靠和经济的高速信号传输手段”。 与并行方案相比，基于串行的设计除了能够提供更高的性能以外，还具有成本优 势，因为基于串行的设计使用的器件引脚少，电路板空间小，p c b 板层数少， p c b 布线容易，并且接插件也较小。另外，串行i o 还能减轻e m i 和提高噪声 抵抗能力。正如x i l i n x 公司总裁兼首席执行官w i mr o e l a n d t s 所说，“串行解决 方案最终将会应用于几乎所有能够想象得到的电子产品中。高速串行技术内在的 可扩展能力和成本优势使其成为目前及未来一代的电信、网络和存储应用所必不 可少的技术。” 源于多个行业都将高速串行连接作为降低系统成本，简化系统设计，提供跟 上现有以及未来带宽要求所需要的可扩展能力的一种方法，各大厂商一直立志于 高速串行研究与产品开发。比如x i l i n x 公司推出的“串行海啸”( “s e r i a lt s u n a m i ”) 计划，旨在通过为系统设计人员提供新一代连接解决方案来加快业界从并行向高 速串行通信转变的速度。串行解决方案最终将会被应用于电子产品的各个方面， 包括芯片至芯片接口、背板连接和系统板，直到机箱与机箱闯的通信。 高速串行技术将时钟与数据合并传输，克服了时钟和数据的抖动问题，极大 地提高传输速度，而且它克服了并行互连的速度瓶颈，“泛应用于各种系统设计 中，包括p c 、海量存储器、服务器、通信网络、工业计算和控制等。迄今业界 已经发展出多种串行接口标准，如本课题采用的s c i ，另外还有i n f i n i b a n d ，千 垂王i ! 鱼垒塑墨堡! 壹鎏璺i 王望焦羹望盟塑壅墨壅生 兆以太网，1 0 g b i t 以太网，o c 一4 8 ，s x i - 5 ，t f i 一5 ，p c i - e x p r e s s ，s e r i a lr a p i d i o ， x f p ，f i b r ec h a n n e l 以及新的u x p i 标准。目前已经有产品【2 】可支持高达1 0 3 1 2 5 g b p s 的数据速率。 尽管高速串行互连技术与传统并行技术相比具有明显优势，但迄今为止还没 有灵活、低成本及通用的硅片解决方案，加上各种新的接口不断涌现，接口标准 在短期内还难以实现统一，因此采用配置灵活的现场可编程门阵列( f p g a ) 担任 不同i o 的高速转换装置给高速串行接口设计带来方便。 可扩展一致性接口s c i 协议是一种可以提供g 比特级带宽和微秒级延迟的 系统互联技术，它支持灵活的拓扑结构，具有高可靠性和高度冗余性。已经被美 国的j a s t ( 联合先进攻击计划组织) 作为第四代先进综合式航电系统的首选互 连系统 3 1 4 】。 1 2 项目来源及意义 本项目是厦门大学计算机系与清华大学智能技术与系统国家重点实验室合 作的国家军工8 6 3 项目一飞控计算机通讯卡子课题的进一步引伸，即采用f p g a 芯片设计并实现基于s c i 协议的高速串行通信接口。 在这个大的背景下，现阶段本论文的重点在于采用v i r t e x i ip r of p g a 器件 作为通信卡的核心控制芯片，基于s c i 协议设计基本的节点模型，包括数据包的 编码和解码，地址解析，输入输出f i f o s 和旁路f i f o 等模块，以及实现高速串 行数据的收发，和主机的p c i 接口等。 另外，该芯片巾配置的3 0 0 m i t zi b m p o w e rp c4 0 5c p u 可以极大地增强通 信接口的数据处理及控制能力，构成“智能通信膏”。既能减轻主机c p u 的通 信处理负担，又能满足不同通信协议对数据链路层功能的变化需求。因而，在今 后的工作中，我们将进一步设计出完整的s c i 协议实现方案，并下板调试，还将 根据需要做出硬件进行实际测试。另外考虑到某些应用领域的特殊要求，可能并 彳i 需要完整的协议功能，因此如何按需求对上层协议进行定制和裁减，增强通讯 卡的性能和灵活性，以及面向市场需求开发相关产品也是今后将继续研究的重 点。 釜= 萱缝造 1 3 本课题的研究内容及创新之处 本课题的研究内容包括： ( 1 ) 利用p c i 核实现基于f p g a 的p c i 总线接口； ( 2 ) 研究s c i 协议标准； ( 3 ) 根据标准设计s c i 高速串行通信接口； ( 4 ) 在l ，2 和3 的基础上，仿真实现基于f p g a 的系统间高速串行通信接 口： ( 5 ) 分析s c i 协议的发展前景，以及在实时系统中的应用和扩展。 本论文有两大重点： 第一：对s c i 协议进行详细的介绍与分析，但不包括内存一致性。因为这一 部分属于协议可选的。尽管它的重要性日益提高，不过目前的工作还没有涉及到 此方面，但这是我们今后将继续研究的重点之一。 第二：实现基于s c i 的高速串行通信接口模型。其中主要是s c l 节点模型的 设计，并在仿真环境下对结果进行测试。结果显示本论文的设计方案是合理可行， 符合s c i 协议规范的。此外还利用p c i 核实现与p c i 的连接，以及采用r o c k e t i o 实现高速串行收发功能。并为今后进一步完善节点功能，以及针对不同的用户需 求，提出合理可行的裁减方案，充分发挥协议自身的优势做好准备。 此外，本文的一个创新点在于使用f p g a 代替a s i c 作为数据处理芯片。由 于a s i c 都是针对某一特定功能的，限制其设计灵活性，而f p g a 的内部逻辑功 能可以随着不同的应用进行更改，因此适用于不同的场合和不同的标准。 最后，本文介绍了s c i 协议在实时性功能上的局限性，以及目前正在研究中 的s c i 实时性扩展技术，主要分析了i e e e 正在研究制定的d f c 协议。在小结 部分，针对s c i 协议在实时系统中的应用和d f c 扩展协议提出了个人观点。虽 然目前还未能对这些观点进行实际验证，但在将来的工作中将努力一一实现。 目前，国内对s c i 协议以及相关技术的资源非常有限，因而本文对其他研究 人员具有一定参考价值。 薹主壁鱼盟墨垦! 造望圭堡望笪蕉旦笪翌i 塞墨超过 1 4 本文的组织结构 以下为本文每章内容概要： 第一章：绪论。概述了相关领域的背景情况，说明项目的来源及意义。最 后提出本文的研究内容及创新之处。 第二章：基于f p g a 的系统设计基础。本章分别介绍数字系统硬件设计的 方法、硬件描述语言h d l 、f p g a 基础知识和设计流程等。本部分是整个设计的 理论基础。 第三章：本论文的一大重点，详细分析s c i 协议。包括节点类型，链路类 型，拓扑结构，数据包的格式，事务，包的编码解码，c r c 校验，寻址模式， 系统初始化，分配协议等几个方面。最后在小结部分阐述了个人对s c i 协议研 究后的总结。 第四章：本论文的另一重点，论述s c i 高速串行通信接口模型的设计及仿 真。本章详细论述了s c i 高速串行接口节点模型的设计原理，思路，各个模块的 功能和实现，以及如何利于p c i 核与p c i 进行连接，如何用r o e k e t i o 实现高速 串行数据收发等。分别对各个模块测试仿真，并对仿真结果进行分析。 第五章：s c i 协议在实时系统中的扩展。由于s c i 协议在制定之初并没有 考虑到实时性问题，但如今对实时性的要求越来越高，因而，i e e e 成立了s c i r t 小组致力于研究s c i 协议在实时性功能上的扩展，并提出了若干方案。这一章将 分析其中一种扩展协议d f c ( d i r e c t e df l o wc o n t r o l 直接流控制协议) 。最后在 小结部分针对s c i 协议在实时系统中的应用和d f c 扩展协议提出了个人观点。 第六章：总结与展望。总结了论文所做的工作与设计中还存在的不足之处， 指明了下一阶段需要进行的工作。 差三童董王壁鱼垒盟至煎塑过基墅 第二章基于f p g a 的系统设计基础 本章是数字系统设计的基础部分。其中包括数字系统硬件设计方法，硬件描 述语言h d l ，以及f p g a 的基本理论和设计流程等。最后介绍了x i l i n x 公司的 相关开发产品。 2 1 数字系统硬件设计概述 2 1 1 传统的系统硬件设计方法 在计算机辅助电子系统设计出现以前，人们一直采用传统的电路设计方法来 设计系统硬件。这种硬件设计方法主要采用自下而上的设计方法【5 】，通用的逻辑 元器件，在系统硬件设计的后期进行仿真和测试，并且主要设计文件是电路原理 图。 这种设计方法对系统设计人员有较高的要求。一旦考虑不周，系统设计存在 较大缺陷，那么有可能要重新设计系统，使得设计周期和难度大大增加。 2 1 2 利用硬件描述语言( 1 m l ) 的硬件电路设计方法 硬件描述语言【6 】，就是可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系 的语言。它比电路原理图能更有效地表示硬件电路的特性。 用h d l 设计硬件电路，免除编写逻辑表达式或真值袁之苦，降低设计难度， 缩短了硬件电路的设计周期。另外，用h d l 编写的源程序具有资料量小，便于 保存，可继承性好，和方便阅读等优点。 2 2 f p g a 介绍 在数字化、信息化时代，数字集成电路应用得非常广泛。随着微电子技术与 工艺的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集 成电路( v l s i c ) 逐步发展至u 今天的专用集成电路( a s i c ) 。a s i c 的出现降低 了产品的生产成本，提高了系统的可靠性，减少了产品的物理尺寸，推动了社会 垄王壁堕垒盟曼g 直蕉璺堑逼篮董竖鲤盟基兰亟盐 的数字化进程。但是a s i c 因其设计周期长，改版投资大，灵活性差等缺陷制约 着它的应用范围。硬件工程师希望有一种更灵活的设计方法，根据需要，在实验 室就能设计和更改大规模数字逻辑，研制自己的a s i c 并马上投入使用。这就是 可编程逻辑器件提出的基本思想p l 。 可编程逻辑器件从早期的只能存储少量数据，完成简单逻辑功能的可编程只 读存储器( p r o m ) ，紫外线可擦除只读存储器( e p r o m ) 和电可擦除只读存 储器( e e p r o m ) ，发展成为可以完成超大规模的复杂组合逻辑与时序逻辑的现 场可编程逻辑器件( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。随着工艺技术的 发展与市场需求，超大规模、高速、低功耗的新型f p g a c p l d 不断推陈出新。 新一代的f p g a 甚至集成了中央处理器( c p u ) 或数字处理器( d s p ) 内核，在 一片f p g a 上进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统( s o p c ：s y s t e mo n p r o g r a n u n a b l ec h i p ) 提供了强大的硬件支持。 2 2 1f p g a 的基本原理 f p g a 基本由6 部分组成：可编程输入倚出单元、基本可编程逻辑单元、嵌 入式块r a m 、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核，如图3 1 。 图3 一l 可编程逻辑器件的结构原理图 釜三重量王望垫盐垂蕉塑盐基型 2 2 2 即g a 的设计流程 一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、 综合后仿真、实现、布线后仿真与验证和下板调试等主要步骤，如图3 2 。 图3 2 完整的f p g a c p l d 设计流程 2 3x i l i n x 系列f p g a 简介 x i l i n x 的f p g a 分为两大类隅1 1 9 1 ，s p a r t a n 系列和v i r t e x 系列。 2 3 1s p a r t a n 系列f p g a 高性价比的f p g a ，侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的数字 基王壁鱼笪曼g 壶蕉璺 主塑焦羹旦盟堑塞兰遨盐 逻辑设计要求，包括s p a r t a n 、s p a r t a n i i 、s p a r t a n - i i e 以及s p a r t a n 一3 。 s p a r t a n - 3 3 l 3 e 成本低廉，总体性能指标不是很优秀，适合低成本应用场合，是 x i l i n x 未来几年在低端f p g a 市场上的主要产品。 2 3 2v i r t e x 系列f p g a 高性能的f p g a ，侧重于高性能应用，容量大，性能满足各类高端应用，包 括v i r t e x ，v i r t e x e ，v i r t e x 一，v i r t e x i ip r o ，v i r t e x i ip r ox 以及最新推出的 v i r t e x 4 。v i r t e x 和v i r t e x e 是早期的产品，现已逐步淡出市场；v i r t e x i i 是2 0 0 2 年推出的大规模高端f p g a 产品，是x i l i n x 比较成功的产品，目前在高端产品中 使用广泛；v i r t e x i ip r o x 基于v i r t e x i i 的结构，内部集成p o w e r p cc p u 和高速 串行接口r o c k e tu o 的f p g a 产品：v i r t e x 4 系列是x i l i n x 最新一代高端f p g a 产品，具有更高的集成度，包含三个子系列：l x 、s x 和f x 。其中v i r t e x 一4l x 侧重普通逻辑应用，v i r t e x 4s x 侧重数字信号处理，d s p 模块比较多，v i r t e x 一4 f x 集成p o w e r p c 和高速接口收发模块。 塑三童! 亘芏星= 塾壁堡巳塑丛金堑 第三章s c i 可扩展一致性接口协议分析 这一章是本论文的重点之一，即针对要设计的高速串行通信接口，分析所采 用的上层通信协议一s c i 可扩展一致性接口协议【1 1 【1 2 】【1 3 】。本章组织如下：首先 对协议进行概述，然后分别从s c i 节点，链路类型，拓扑结构，数据包的封装和 编码，事务，初始化，和分配协议等七大方面进行分析。最后，在小结部分阐述 了个人对s c i 协议分析的观点。另外，s c i 协议中定义的错误检测和故障恢复， 以及内存一致性等内容，由于在现研究阶段还未涉及到，因而没有在此进行论述。 s c l 只提供了错误检测机制，而恢复功能需要由上层软件实现。内存致性主要 用于集群系统，或大规模分布式处理器系统中。这些内容将是下一步研究的重点。 有关这两部分内容的详情请参考i e e es t d 1 9 5 6 1 9 9 2 “j 。 3 1 协议概述 s c i 是一种可支持高性能多处理器，一致性内存共享，以及系统规模高度可 扩展的互联标准。其中节点可以是处理器，内存，i o ，总线适配器，桥，或交 换机等。该协议包括两个层次：物理层和逻辑层。物理层定义各种连接设备的电 器，物理和热特性。逻辑层定义地址空间，数据传输协议，缓存一致性机制，同 步原语，控制和状态寄存器以及初始化和故障恢复机制。 s c i 和网络的根本区别在于s c i 是采用基于内存访问模型和缓存一致性模 型。因为s c t 接口能将所有功能模块集成在单块集成电路中，极大的降低系统成 本，因而与总线结构相比更适合小型系统。尽管s c i 没有定义底层的容错功能， 但它支持上层软件的容错功能，从而保证协议的一致性和健壮性。 随着技术的发展，新的传输介质，集成工艺的突破等，s c i 将运用在新的物 理层标准上。即使这些标物理准有不同的链路带宽或比特率，但是，包的格式 和上层一致性协议将保持不变。因而，保证了s c i 良好的扩展性和适应能力【l 副【l “。 s c i 采用多种不同的配置方案，从简单的环到多层交换网络。相邻节点间采 用点对点的单向链路，简化物理实现。 s c l 支持事务的并发处理。一个系统中町支持的节点数高达6 4 k 。由于一个 蕉王鱼艘墨! 匿垂璺! i 望笸鲎旦塑堑塞生丝生 节点又可以包括多个处理器，因而s c i 足以支持今后的超大规模并行系统的升 级。 3 2 节点结构 s c i 协议为每个节点定义了输入输出f i f o s 支持同时收发包。当数据包到达 某节点后，节点的地址解码器先对包进行地址解析，如果该包是发给本节点的则 送入输入f i f o 中等待处理，否则通过旁路f i f o 转发给下一个节点。在节点的 输出端，待输出的数据包存储在输出f i f o 中，只有当旁路f i f o 为空时节点才 能输出包。为了清空f i f o ，可以在数据包之间插入空闲包。另外，输入和输出 f i f o s 还能匹配节点较低的处理速度和链路的高速传输，如图3 1 ： 图3 - 1 ：s c i 节点模型 我们设计的重点即是利用f p g a 设计并仿真该节点功能，实现地址解码，输 入输出f i f o s 和旁路f i f o 功能。具体过程见第四章。 3 3 链路类型 s c i 在链路上传输的最小单位是一个s y m b o l ，即1 6 位数据加1 位标志位， 和1 位时钟信号。一个s y m b o l 或者是包的一部分，或者是一个空闲s y m b o l ( 穿 插在数据包之间维护系统同步) 。s c i 定义的链路类型表示方式为： n u m b e ro fs i g n a l s 】一【k i n do fs i g n a l s 】一 b i tr a t ep e rs i g n a li nm b s 】 蔓三重! 堕筻壁二塾壁堡些地丝坌堑 如图3 - 2 ，左边表示的是1 8 d e 5 0 0 ，即1 8 根信号线，采用差分信号，传输 率为5 0 0 m b s 的电缆并行传输。右图则是采用光纤介质的串行传输类型 1 - f o 一1 2 5 0 。在本论文的设计中，将实现s c i 节点的串行传输功能。 3 4 拓扑结构 图3 2 ：物理层实现方案 s c l 支持灵活的拓扑结构 1 7 】【1 8 】 2 0 1 ，最基本的拓扑结构是环。与传统的环 不同，s c i 可支持多对节点间消息的并发传输。另外，环形拓扑既可以采用顺序 连接，也可以采用交叉连接的方式。前者的布线比较长，而后者能极大的缩短布 线的长度，适合空间比较小的环境，如图3 3 和3 4 。s c i 还能通过桥或交换机 实现更高性能的互连，也可以通过具有多个s c i 接口的节点构成2 dm e s h ，3 d m e s h ，和蝶形等更为复杂的拓扑结构。 图3 - 3 ：环的顺序连接 基里鱼鳆墨竺匿蕉璺塑塑篮堡巳盟堡塞皇丝盐 3 5 包的封装与解码 图3 - 4 ：环的交叉连接 s c i 协议中数据传输的单位是包，每个包可由多个s y m b o l s 组成。协议定义 了四种类型的包，如表3 1 ： 表3 - 1 ：s c i 协议中包的四种类型 包的类型描述 请求发送包请求子事务包 请求响应包请求子事务确认包 反馈发送包反馈子事务包 反馈响应包反馈子事务确认包 下面将详细说明请求发送包和请求响应包。由于反馈发送包和反馈响应包中 大部分字段的定义与请求包中相同，本文将不再论述。关于s c i 协议中对包格式 的详细定义请参考i e e e 制订的协议规范】。 篓三望! ! ! 里壁= 墼壁堡旦垃送坌堑 3 5 1 请求发送包 佃棚喇 c 鼬狂* 删 s o u r c e 培 e o n l z o l a 咖盹瑚0 撤嘲嘲，鹳 文埘糟铀o 舶砖 8 。t 3 副d | i b c 日b 哦弛盯i 毒黛o f l 8 扫y 嘲略 d 蹦a 取 6 6 毛o r 2 5 6 碲h 哪 c j 嘲旰b 蝴再；o 由( c n c ) 请求发送包如图3 - 5 ，目标地址用于包的路由。交换机根据命令字段和源地 址字段进行路由决策。命令字段提供流控制信息，以及标识包的类型，如图3 6 ： c o m m a n d 妻221 图3 - 6 ： t7 命令字段的定义 源地址字段为请求响应包提供返回地址。4 8 位偏移地址用于响应方进行解 析。扩展头可选，如果有扩展头，命令字段里的c o m m a n d e h 值为1 。扩展头里 部分信息用于内存一致性缓存指针的传递。其它部分保留用于将来协议扩展用。 例如：实时系统控制等。 命令字段中，c o m m a n d m p r ( 小环最大优先级) 的初始值为0 ，由其它节点在 睁一 燕 基! 垒数璺璺! 直蕉曼堑夔篮蘧旦煎盟塞皇丝盐 小环进行优先级决策时修改。c o m m a n d 却r ( 发送优先级) 指示四种不同的发送优 先级。该值是由发送方根据事务优先级和发送方队列中等待的其它子事务的优先 级来设定。c o m m a n d p h a s e 用于队列控制。当一个请求包的反馈为忙( b u s i e d ) 时，下一个重发包的c o m m a n d p h a s e 值就是这个反馈包的p h a s e 域值。具体的定 义如表3 - 2 ： 表3 2 ：发送包中p h a s e 字段的定义 t a k d m r 唪# m 0 0船t l t y 斌辨械i a _ b l e b 0 1d 。t r y 建唧i f b a b i e d 1 0r e t r ya 珲嗡a 河嘴y a 啦i 乜砖砣t 旺口l d 1 ir b t l r rb 毗k a hm u 嘲l e t l r 谢 c o m m a n d o l d 用于指定包的丢弃状态。初始化时s c r u b b e r 为环中所有包的浚 值置1 。当s c r u b b e r 再次检测到一个到达包的c o m m a n d o l d 值为l 则将其剥离， 并产生一个具有特殊错误状态的反馈包。 注意：c o m n l a n d m p r ，c o m m a n d s p r ，c o m m a n d 。p h a s e ，和c o m m a n d o l d 字段不 参与c r c 计算。 c o n m a a n d e c h 为0 标识发送包，1 为反馈包。 c o m m a n d ，e h 为1 则表明有1 6 字节的扩展头 c o m m a n d c m d 用于指明事务命令。对于请求发送包，该值小于1 2 4 。 c o n t r 0 1 t r a c e 用于硬件记录日志和包的监视。 c o n t r 0 1 t o d e x p o n e n t 和c o n t r 0 1 t o d m a n t i s s a 用于当发送包丢弃时，指定其全局 时钟。c o n t r 0 1 t o d e x p o n e m 为0 则表明永不丢弃。 c o n t r 0 1 t p r 标识事务优先级。一共有四种等级。该值是包在发送时设定，并 用于分配协议。因为节点可以在获得反馈前发送多个不同的包， c o n t r 0 1 t r a n s a c t i o n l d 值和s o u r c e l d 字段合起来唯一标识每个事务。 3 5 2 请求响应包 当请求发送包从环上剥离后，接收方产生一个请求响应包。其目标地址和源 箜兰要g ! 卫芷基二塾丝蕉旦垫堡筮堑 地址字段对应发送包旱的源地址和目标地址。请求响应包只有四个s y m b o l s ，如 图3 7 ： 压强团圆圜 图3 7 ：请求晦庭包的格式 响应包的命令字段包含发送包中部分命令字段和控制字段信息。其中 c o m m a n d 。m p r 和c o m m a n d s p r ( 最大发送优先级) 用于带宽分配机制。 c o m m a n d m p r 初始化值为0 ，在经过其它节点时不断更新。c o m m a n d s p r 值对应 发送包中的c o m m a n d m p r 值。c o m m a n d p h a s e 值用于接收方向发送方返回队列 状态。它的值取决于c o m m a n d b s y 。p h a s e 值的定义如表3 - 3 和3 4 ： 表3 - 3 ：非“忙”状态响应包的p h a s e 字段定义 谰n d e s c r i p d c 。 0 0d e m 瓣n d 譬嘲l e d 釉e e 鼎s 删y 轴融协d ! i 蝴划 0 1n 0 n 。k m _ m l 瑚妇强n d d r 嘲舾娆球荦。班k 由 1 0d o n 蓝a 理辘w e 连扣q l | 拇l 船t t 。d 潮e ) 1 1d 0 啊eb r d ( e q u i v a l e n tt od e ) 量量里里鱼垒曲兰垡曼蕉皇韭堡篮鲎旦笪丛基量壁盐 表3 - 4 ：“忙”状态响应包的p h a s e 字段定义 v 洳 玉r i p 妇 0 0b u s yn r e l ( r e z y 磷抽瞎n o t r 铘 0 1e ￥g ydm 口* 俩n gd o t r y 1 0b u g ya 印a 鼬r 群e 臻耐，嘶赶嗨姓r r ya 1 1b u g yb 翠撇t e 獬嘲弛呀蛾丑誉姓t r y j c o m m a n d o l d 与在请求发送包中功能相同。 c o i t u t l a n d e c h 为1 时是反馈包。 c o m m a n d b s y 为1 时表明发送包被拒绝并需要重传。 c o m m a n d r e s 用于区分请求响应包( 值为0 ) 和反馈响应包( 值为1 ) 。 c o m m a n d t r a n s a c t i o n l d 对应发送包的c o n t r 0 1 t r a n s a c t i o n i d 字段。 3 5 3 反馈发送包和反馈响应包 对于反馈包，其中c o m m a n d 字段提供流控制信息以及标识反馈发送包的类 型。当反馈发送包从环上剥离时，其源地址为反馈响应包提供目标地址。同时， 该地址也标识出是由哪个响应节点产生这个反馈发送包的，如果反馈响应包的 目标地址与发送包的源地址不同则意味着错误发生。状态，转发地址，和前向地 址字段在缓存一致性协议中标识具有相同缓存块的节点地址。c o m m a n d m p r ， c o m m a n d s p r ，c o m m a n d p h a s e ，c o m m a n d o l d ，c o m m a n d e c h ，c o m m a n d e h ， c o n t r 0 1 t r a c e ， c o n t r 0 1 t o d e x p o n e n t ，和c o n t r 0 1 t o d m a n t i s s a 的定义与请求发送包 和反馈发送包相同。c o m m a n d c m d 字段虽然和请求发送包以及反馈发送包里格 式一样，但取值范围不同。 当反馈发送包从环上剥离时，接收方产生一个反馈响应包。其目标地址和源 地址分别对应反馈发送包中的源地址和目标地址。反馈响应包的长度总是四个 s y m b o l s ，c o m m a n d r e s 的值在反馈响应包中为1 。其它字段值和请求响应包的 相同。 3 5 4c r c 校验码 s c i 是一种高度可靠的传输协议，它在每个包的最后定义了1 6 位c r c 校验 码。c r c 只能检测错误，纠错的功能需要上层实现。s c i 使用“c c i t t ”定义的 1 6 盟三望! ! 亘星= 墼丝垫旦迹丝盘堑 1 6 位校验多项式x 1 6 + x 1 2 + x 5 + 1 ，能够检测所有奇数位错误；所有小于1 6 位长 的连续错误；和所有的单个，双个，和三个位的错误。检测错误失败的概率小于 2 郴。串行实现过程和方案如图3 1 8 和3 1 9 ： | _ c 。od 芦d 5 _ = e 1 4 ：= c 1 3 ：= 矗2 = 暑n l 囝c o 番d ，c 1 0 = 嚣西 ，裙 产蚵 ：= c 6 产楼 ，。毒。曲垂d ，醇 ，砬 = c l 图3 - 8 ：c r c 校验串行实现过程 图3 - 9 ：1 6 位c r c 校验串行实现方案 尽管s c i 中定义的c r c 校验是串行方式，但是为了匹配s c i 的高速传输， 仍可以用高速并行的方式计算c r c 。在后面节点模型设计中就是采用的1 6 位 c r c 并行校验方式。 3 5 5 包的逻辑编码 s c i 在请求方和响应方之间传输连续的非空闲s y m b o l s 来执行事务。所有包 =窨泓m鼍m曲始西西科娃吐d 基王鱼垒塾墨! 童蕉史焦望笪蕉旦的婴窒量照进 一 的长度都必须是四个s y m b o l s 的整数倍。空闲s y m b o l s 插在数据包之间用于维护 系统同步和传递流控制信息，如图3 1 0 ： e ；“了 钾澉晦镒瓣$ z * 蕊 二匪黼藤囊嚣瑟簟鋈甄霾羹豇 。 雾 档；棼 l 嘲 篓卜了乙，! ：! 厂一，纛同，! 。 瓤渊嘲镕嘲” 图3 一l o ：标志位信号编码 标志位信号由0 变1 表明包的开始，对于发送包，1 变0 则表明还剩四个 s y m b o l s ：对于响应包则表明只剩一个s y m b o l 。任何包的c r c 字段的标识位总是 0 ，因此0 变成1 总能标识个包的开始。发送包的标志位模式如图3 - 1 1 ： i a a o 1 1 o ) 1 0 0 0 0 图3 - 11 ：发送包和初始化包的标志位编码模式 响应包有连续三个非0 标志位信号，发送包总是有四个以上，而同步包只有 一个。通过标志位能很容易区分同步包和发送包，如图3 一1 2 和3 1 3 。这种将数 据，时钟和标志位信号同时编码传输的方式能用于观测和补偿信号到达的时差。 采用七个0 的s y m b o l 的目的是让硬件很容易检测到高低电平间的转变旧。 差三童墨! 堕塑：壁二塾丝董旦垫送坌堑 3 6 事务 f l a g 0 1 j 0 图3 1 2 ：响应包的标志位信号编码模式 图3 1 3 ：同步包的标志位信号编码模式 事务即将一个节点队