串行RapidIO在WiMAX基站系統中的應用

　隨著以TD-SCDMA、WCDMA為代表的3G移動通信全面進入商用部署，LTE標準基本完成，華為、愛立信成功實現LTE標準的現場演示，以IEEE802.16(WiMAX) 為標準的下一代移動通信技術、標準與系統的研發也已經開始。

　　WiMAX(微波存取全球互通技術)和傳統的TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000幾個3G標準相比，WiMAX的最大傳輸半徑達到了50公里上下，接近前者的兩倍。而在傳輸速度上，WiMAX也讓其他3G標準望塵莫及。在10公里范圍內，WiMAX網絡的速率可以達到 75Mbit/s。另外，WiMAX等無線通信系統要支持大量的寬帶用戶和極高的空中接口速率，使用MIMO、OFDM等復雜的通信信號處理算法，具有動態可重配置、計算資源動態調度能功能，對基站的計算處理和互連提出了極高的要求。這種高性能的無線通信系統在實現上有很大困難和挑戰。典型的無線基站系統由CPU、DSP和FPGA構成。隨著CPU、DSP和FPGA等處理器的性能得到較大提升，提高連接這些高性能器件的總線性能成為提升系統性能的關鍵。本文提出的基于串行RapidIO的無線基站系統解決了這一問題，該系統能夠實現10Gbit/s的傳輸速度，適用WiMAX等新型的無線基站系統。

　　處理器選擇

　　系統的實時處理能力主要取決于單個處理器的計算能力、存儲結構配置和互連拓撲結構。現在應用到嵌入式系統的主流處理器是GPP/RISC、DSP 和FPGA。為了選擇最佳處理器，需要從計算能力、易編程性、功耗、有效帶寬和完整定義的接口等因素綜合考慮。因此筆者選用以MPC8548、TMS320C6455為主處理器和Xilinx FPGA V5LX110為從處理器的系統架構。

　　MPC8548處理器使用e500v2內核，最高速率1.5GHz，集成L1/L2兩級緩存，并集成了串行RapidIO和PCI Express高速互連接口，支持4x串行RapidIO。適用于傳輸千兆以上赫茲的通訊處理性能和高度集成和高速連接的高級功能。

　　TMS320C6455 是TI公司的一款具有高計算速度、低功耗的芯片。C6455的處理速度為9600MIPS。考慮到接口的實用性和帶寬，C6455集成了一個4通道串行RapidIO(SRIO)，此接口具有25Gbit/s的吞吐量。TMS320CC6455 的外圍總線還包括:兩個多路緩沖串口總線(McBSPs), 一個10/100/1000M以太網媒體訪問控制器(EMAC),一個無縫外部存儲器接口(64bit EMIFA),一個32 位DDR2 SDRAM接口等。豐富的外圍總線使得基于C6455的設計靈活，支持強大的存儲容量和高速的數據傳送，適用于3G、WiMAX等基站系統設計。

　　串行RapidIO特性

　　基于TMS320C645x的RapidIO接口叫做SRIO(串行RapidIO)。SRIO有以下特點：引腳少;功耗低;SRIO協議棧簡單，軟件開銷很小;數據寬度和速度可調具備DMA和消息傳遞功能;支持復雜可調整的拓撲結構;支持多點傳送;可靠性高，可提供服務質量保證。

　　SRIO以上特點在實時信號處理系統中具有很大的應用前景。SRIO支持1x和4x模式。1x模式支持一個通道，運行速率有1.125Gbaud、2.5Gbaud、3.125Gbaud。4x模式支持4通道SRIO鏈路可以提供 10Gbit/s 的流量，且保證數據完整性。因為SRIO包處理是通過硬件實現的，這就意味著可大幅削減 I/O 處理方面的額外開銷，降低延遲并增加系統帶寬。但與多數總線接口不同，SRIO接口的引腳數較少，帶寬在鏈路為3.125baud的基礎上可繼續擴展。

　　串行RapidIO 協議是一個點對點的包交換協議,由包和控制符號組成。SRIO有物理層、運輸層和邏輯層3層結構。邏輯層定義總體的協議和分組格式;運輸層為RapidIO 數據包提供了路由和尋址的功能;物理層負責描述器件的接口規范。結構的層次劃分保證了任意層增加新的事務類型無需改變其他層規范,有助于設計的靈活性和更好的前后兼容性。圖1說明了SRIO協議的分層機構。

　　SRIO工作模式分為：I/O邏輯操作和消息操作。

　　I/O模式下，所有的包包含具體的地址，地址表明數據應該存儲到目的設備的位置。Direct I/O要求RapidIO源設備必須有目的設備的內存地址表格。當CPU需要從本地內存發送數據到外部處理單元，CPU必須向SRIO接口提供有關傳送的信息，比如：DSP內存地址、目標deviceID、目的地址、包的優先級等。

　　消息傳送模式，消息的源端無需了解目標設備的內部結構或存儲器映射。相反，RapidIO數據包中用mailbox來標示。Mailbox由本地設備控制和映射到內存地址。對于兩處理器間的通信，發送處理器向本地的消息mailbox寫入， mailbox讀取待發送的本地存儲器的信息，并將信息發送到接收處理器的本地mailbox。接收mailbox將信息保存在本地存儲器，并通知接收處理器消息已經到達。接收處理器然后訪問它的本地存儲器讀取消息。

　　無線基站系統設計

　　無線基站是典型的高性能嵌入式通信系統，它們對互連的帶寬、時延、復雜度、靈活性、可靠性都有非常高的要求。而串行RapidIO正是滿足這些要求的最佳選擇。

　　無線基站系統

　　在傳統的基站系統中，DSP與PowerPC或FPGA之間的互連一般用外部存儲器接口EMIF;DSP之間或DSP與主機之間一般用HPI(Host Port Interface)或PCI互連。它們的主要缺點是：帶寬小、信號線多、主從模式接口，不支持對等傳輸。另外，DSP不能直接進行背板傳輸。如果利用串行 RapidIO 進行DSP互連則可以大大提高效率，一來它可將用于實現 DSP 之間高速互連的信號引腳數減到最少，二來可簡化處理器之間的通信，從而有效地降低系統成本。

　圖2所示系統是基于CPU的高性能DSP系統。PowerPC主要針對無需大量乘法運算的一般應用，如MAC層處理。DSP主要完成濾波、矢量乘法和查找以及圖像或視頻分析等信號處理操作。FPGA實現FFT或者PAPR算法等。

　　圖2所示的無線基站基帶系統具有極高的靈活性和可擴展性，在這種架構中，各個處理器的任務分工具有很大的靈活性。由于架構已經不再與運算密切相關，流量和處理能力可在運行時間內從一個器件轉移到另外一個器件。該架構也具有可擴展性，有助于滿足具體應用在性能和成本方面所需的端點數量增減。例如，可以輕易改變 DSP型號和 DSP 數量，以實現相同的設計可以匹配到從微蜂窩到大型基站的設計要求。要在降低成本同時滿足更高性能和帶寬，關鍵在于采用模塊化和基于標準的架構。構建下一代基帶卡和基于連接了多個DSP、FPGA 和 ASIC 的串行RapidIO 接口的結構型架構具有許多優勢。

　　系統在WiMAX BBU中的應用

　　·WiMAX BBU系統架構

　　圖3是基于圖2的WiMAX BBU系統，該系統硬件上包括一片PPC處理器MPC8548，兩片DSP處理器(TI的C6455)和三片Xilinx FPGA V5LX110。FPGA與DSP之間使用SRIO口通信，DSP與PPC之間使用PCI接口和SRIO進行通信，FPGA之間使用仿PCI接口進行通信。DSP1與DSP2之間使用SRIO接口進行通信。

　　本系統中還保留PowerPC與DSPC6455的PCI32互連，這樣有利于boot模式下程序的下載。FPGA1主要實現IFFT和PAPR算法;FPGA2主要實現RANGING和FFT算法;DSP1主要實現信道編碼、調制、空時編碼和子載波映射，DSP2主要實現信道解碼、解調、信道估計和子載波解映射。FPGA3主要實現TURBO的解碼。另外MIMO的上行算法會在DSP2、FPGA2和DSP1上協同處理。

　　·測試結果

　　在4x模式下，測試DSP1與DSP2之間的通信速率和出錯率。

　　測試方案：DSP1為主機，DSP2為從機。主機向從機發送數據，I/O模式下，數據發送完畢主機發送doorbell告知從機，并讀回DSP2所接收的數據比較數據是否出錯;message模式下，數據鏈發送完畢硬件會產生中斷，進入中斷服務程序，接收端接收完數據鏈也是自動產生中斷，只需記錄中斷次數就能判斷數據是否傳送正常。

　　選擇3.125G波特率進行1x模式通信。測試結果如表1。結果表明SRIO的高傳送性能能滿足WiMAX 基帶處理要求并驗證了本文提出的WiMAX BBU系統架構的可行性和可靠性。

　　結語

　　本文提出的無線基站基帶系統架構具有高計算速率，高帶寬，可行性和可擴展性等特點。此系統架構已實際應用到WiMAX BBU系統，還可用于多種無線信號處理模塊，如雷達干擾系統等。在不同的嵌入式系統中各個處理器的任務分工會有所不同，SRIO技術的實現也具有很大的靈活性，比如：可以用Direct I/O邏輯模式或者message模式實現通信等。