SRIO学习（1）SRIO介绍以及IP核详解

文章目录

• 一、SRIO介绍
• • 1.1、概要
  • 1.2、RapidIO与传统嵌入互连方式的比较
  • 1.3、串行RapidIO协议（SRIO）
• 二、RapidIO协议结构及包格式
• • 2.1、逻辑层
  • 2.2 传输层
  • 2.3 物理层
• 三、IP核详解
• • 3.1、逻辑层
  • • 3.1.1 I/O端口
    • 3.1.2 消息（Message）端口
    • 3.1.3 用户自定义端口
    • 3.1.4 维护端口
    • 3.1.5 Status状态接口
  • 3.2、Buffer接口
  • 3.3、PHY物理层接口
• 四、HELLO包格式
• • 4.1、包头字段定义
  • 4.2、不同传输情况
• 五、事务类型

一、SRIO介绍

1.1、概要

参考1：https://www.ti.com.cn/general/cn/docs/gencontent.tsp?contentId=50741
参考2：https://blog.csdn.net/qq_33904382/article/details/130330299
串行RapidIO针对高性能嵌入式系统芯片间和板间互连而设计。
在嵌入式系统应用领域，DSP,FPGA,PowerPC等嵌入式处理器的出现后，工程师将多种处理器组合，形成模块。模块通过背板相连，形成整机，实现更大的系统应用。新的嵌入式系统互联结构必须具备以下特点：

• 架构独立，不依赖具体的硬件和软件。
• 灵活的拓扑结构，不局限于PC架构的星状结构。
• 传输速率高，并向下兼容。
• 具有流控功能，错误校验及广播功能。
• 具有分层结构，后续功能扩展不影响其他层次

针对以上需求，2000年，存储领域的OEM和FPGA/DSP/交换结构芯片制造商成立了RapidIO Trade Association 组织。提供了一种针对嵌入式运用的低延时的、基于包交换与分发结构的新型总线结构，被命名为RapidIO,又被成为SRIO。

SRIO支持3C连接：Chip-to-Chip、Card-to-Card、Chassis-to-Chassis。从灵活性的角度来说，SRIO协议可支持嵌入式系统的星状、网状、环状、树状及菊花链等多种拓扑结构。数据传输方式灵活多样。支持对等的数据交换。从架构独立性的角度来讲，SRIO协议是由硬件实现，所以对现存的操作系统和运用软件是透明的。它支持读、写、流、原子操作等及消息传递机制，应用层软件简单。从速率、带宽性能及可裁剪上讲，SRIO1.3版支持1.25、2.5、3.125Gbps。采用8B/10B编码，带宽利用率高。

1.2、RapidIO与传统嵌入互连方式的比较

随着高性能嵌入式系统的不断发展，芯片间及板间互连对带宽、成本、灵活性及可靠性的要求越来越高，传统的互连方式，如处理器总线、PCI总线和以太网，都难以满足新的需求 。

1.3、串行RapidIO协议（SRIO）

RapidIO行业协会成立于2000年，其宗旨是为嵌入式系统开发可靠的，高性能，基于包交换的互连技术。RapidIO协议的简要发展历史是：
2001年初，最初的标准被发布
2002年6月，1.2版标准发布
2005年6月，1.3版标注发布
串行RapidIO是物理层采用串行差分模拟信号传输的RapidIO标准。SRIO 1.x 标准支持的信号速度为1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz、5GHz、6.25GHz。

SRIO (Serial RapidIO) 是一种串行通信协议，旨在实现高速数据传输和低延迟的通信。而 RapidIO 则是一个组织，致力于推广和发展使用 SRIO 技术的标准化互连架构。换言之，SRIO 是一种通信协议，而 RapidIO 是一个组织，它的成员使用 SRIO 技术来实现高速和低延迟的互连。RapidIO 组织负责制定和推广 RapidIO 互连标准，并支持 RapidIO 产品的开发和部署。

二、RapidIO协议结构及包格式

RapidIO分为3层：

逻辑层（Logical Layer）：RapidIO的逻辑层定义了协议和交互规则，包括命名服务、配置管理、错误报告和事件通知等。逻辑层主要负责确保数据在传输过程中的正确性和可靠性，并提供基本的路由功能来寻址目标设备。

传输层（Transport Layer）：RapidIO的传输层提供高效的数据传输机制，支持点对点和多点广播传输模式，并提供流控制和拥塞控制等重要功能。传输层还支持多队列机制，可以实现同时传输多个会话或数据流，从而提高带宽利用率和系统吞吐量。

物理层（Physical Layer）：RapidIO的物理层定义了硬件接口和电气特性，包括传输速率、信号编码、差分信号传输和时钟同步等。物理层还支持多种不同的物理介质，包括高速串行器件、光纤和电缆等。

与以太网一样，RapidIO也是基于包交换的互连技术。如图3所示，RapidIO包由包头、可选的载荷数据和16bits CRC校验组成。包头的长度因为包类型不同可能是十几到二十几个字节。每包的载荷数据长度不超过256字节，这有利于减少传输时延，简化硬件实现。

2.1、逻辑层

RapidIO是基于包交换的互连技术，传输层定义了包交换的路由和寻址机制。

逻辑层协议包括控制、数据和管理三个子层。

在RapidIO中，控制子层负责建立和维护端到端的通信路径，并对数据传输进行控制。这个过程可以通过发送控制报文来实现，其中控制报文包含有关源地址、目标地址、传输类型、QoS（服务质量）等信息。

数据子层则负责实际的数据传输。数据报文由源节点打包成多个数据包，每个数据包都包含同步信息、错误控制信息和有效载荷数据。接收节点根据同步信息解包数据包，并使用错误控制信息检测和纠正任何传输错误。

最后，管理子层负责管理节点之间的连接和网络拓扑结构。管理报文用于发现新节点、确定节点状态、管理路由表和配置寄存器等。

逻辑层定义了操作协议和相应的包格式。RapidIO支持的逻辑层业务主要是：直接IO/DMA （Direct IO/Direct Memory Access）和消息传递（Message Passing）。

直接IO/DMA模式是最简单实用的传输方式，其前提是主设备知道被访问端的存储器映射。在这种模式下，主设备可以直接读写从设备的存储器。直接IO/DMA在被访问端的功能往往完全由硬件实现，所以被访问的器件不会有任何软件负担。SRIO（Serial RapidIO）带宽大，管脚少，传输方式更灵活。

对上层应用来说，发起直接IO/DMA传输主要需提供以下参数：目地器件ID、数据长度、数据在目地器件存储器中的地址。

直接IO/DMA模式又可进一步分为以下几种传输格式：

NWRITE: 写操作，不要求接收端响应。
NWRITE_R: 带响应的NWRITE（NWRITE with Response），要求接收端响应。
SWRITE：流写（Stream Write），数据长度必须是8字节的整数倍，不要求接收端响应。
NREAD: 读操作。

2.2 传输层

传输层是RapidIO协议栈的一个组成部分，位于物理层和消息层之间。其主要功能是提供可靠的数据传输和流控制。传输层使用虚拟通道（VC）概念来支持多路复用和分时复用，从而在单个物理链路上同时传输多个数据流。

传输层包括四个不同的子层：数据链路控制层（DLC）、流控制层（FLC）、可靠性层（RLC）和可选的直接存储器访问层（DAM）。DLC负责帧同步、检错和重传，FLC负责流量控制，RLC负责确认和重传丢失或损坏的数据包，DAM提供了一种直接将数据写入/读取到内存中的机制，以避免处理器的干预。

在传输层中，每个VC都有唯一的VC编号和优先级，以及一个独立的发送和接收缓冲区。这些缓冲区可以设置为固定大小或自适应大小，以提高数据传输效率。传输层还支持多种数据类型，包括消息、数据和DMA事务。
RapidIO网络主要由两种器件，终端器件（End Point）和交换器件（Switch）组成。终端器件是数据包的源或目的地，不同的终端器件以器件ID来区分。RapidIO支持8 bits 或 16 bits器件ID，因此一个RapidIO网络最多可容纳256或65536个终端器件。与以太网类似，RapidIO也支持广播或组播，每个终端器件除了独有的器件ID外，还可配置广播或组播ID。交换器件根据包的目地器件ID进行包的转发，交换器件本身没有器件ID。

RapidIO的互连拓扑结构非常灵活，除了通过交换器件外，两个终端器件也可直接互连。

2.3 物理层

Serial RapidIO的物理层规范定义了信号传输的电气和机械特性，包括信号编码、时钟同步、差分传输、信号模式匹配和错误检测等。

RapidIO 1.x 协议定义了以下两种物理层接口标准：

8/16 并行LVDS协议
1x/4x 串行协议 (SRIO)
并行RapidIO由于信号线较多（40～76）难以得到广泛的应用，而1x/4x串行RapidIO仅4或16个信号线，逐渐成为主流。

Serial RapidIO物理层使用差分传输技术，即在发送端将数据分成两部分，在接收端再将其合并，以减少噪声干扰和传输误差。Serial RapidIO还采用了多种信号编码方式，如8b/10b、64b/66b和128b/130b等，以实现数据的可靠传输和时钟同步。

串行RapidIO基于现在已广泛用于背板互连的SerDes（Serialize Deserialize）技术，它采用差分交流耦合信号。差分交流耦合信号具有抗干扰强、速率高、传输距离较远等优点。

为了支持全双工传输，串行RapidIO收发信号是独立的，所以每一个串行RapidIO口由4根信号线组成。标准的1x/4x 串行RapidIO接口，支持四个口，共16根信号线。这四个口可被用作独立的接口传输不同的数据；也可合并在一起当作一个接口使用，以提高单一接口的吞吐量。

三、IP核详解

参考xilinx手册pg007
RapidIO核分为逻辑层（LOG），缓冲（BUF）和物理层（PHY）三个部分。如下图所示：

3.1、逻辑层

逻辑层（LOG）被划分成几个模块来控制并解析发送和接收数据包。逻辑层（LOG）有三个接口：用户接口（User Interface），传输接口（Transport Interface）和配置接口（Configuration Fabric Interface）。

用户接口包括能发起和接收包的端口。当生成IP核的时候可以配置端口的数目和事务类型，同时也能通过AXI4-Lite接口发起维护事务对本地或者远程的寄存器进行访问与配置。

传输接口包含发送和接收两个端口，它是用来连接中间的Buffer，对于RapidIO的顶层模块来说，这两个接口不可见。

配置接口也包含两个端口。其中配置主机端口（Configuration Master Port）用来读写本地配置空间。逻辑配置寄存器端口（LOG Configuration Register Port），它可以用来读写一部分逻辑层或传输层配置寄存器。

着重介绍用户接口的相关内容： 用户接口包含I/O端口集和三个可选的端口，三个可选的端口分别为消息端口（Messaging Port），维护端口（Maintenance Port）和用户自定义端口（User-Defined Port）。这些接口都在模块的顶层，每种事务类型都在指定的端口上传输。其中，任何支持的I/O事务例如NWRITEs，NWRITE_Rs，SWRITEs，NREADs和RESPONSEs（不包括维护事务的responses）全部都在I/O端口上发送或者接收。消息（Message）事务能在I/O端口传输或者在消息端口传输，这取决于是否在IP核的配置选择分离I/O端口与Message端口。门铃（Doorbell）事务只能在I/O端口传输，而不能在Message端口上传输。维护事务包只能在维护端口上传输。如果事务是由用户自定义的一种不支持的类型，那么这类事务就可以在用户自定义端口上传输，如果用户自定义的端口在IP核的配置中未使能，那么用户自定义的包会被丢弃。

3.1.1 I/O端口

I/O端口能被配置为两种类型：Condensed I/O或Initiator/Target，这两种类型可以在IP核的配置中进行选择。I/O端口的数据流协议是AXI4-Stream协议，它支持两种类型的包格式，分别是HELLO格式与SRIO Stream格式。
Condensed I/O端口类型减少了用于发送和接收I/O包的端口数目。它只用一个AXI4-Stream通道来发送所有类型的包，同样，也只用一个AXI4-Stream通道去接收所有类型的包。Condensed I/O端口示意图如下：

Initiator/Target端口类型把请求事务与响应事务分别处理，所以一共有4个AXI4-Stream通道用于I/O事务的传输。Initiator/Target端口的示意图如下图所示，其中灰色的箭头表示请求事务，黑色的箭头表示响应事务。

Initiator即为发起者的意思，这里的 i 即表示Initiator，本地设备（Local Device）生成的请求（Requests）通过ireq通道发送，远程设备（Remote Device）产生的响应包通过iresp通道接收来完成整个事务的交互过程。

Target即为目的的意思，这里的 t 即表示Target，远程设备（Remote Device）生成的请求（Requests）通过treq通道接收，本地设备（Local Device）产生的响应包通过tresp通道发送来完成整个事务的交互过程。

在顶层模块中，变量名与通道的对应关系如下：

s_axis_ireq* 对应于ireq通道

m_axis_iresp* 对应于iresp通道

m_axis_treq* 对应于treq通道

s_axis_tresp* 对应于tresp通道

3.1.2 消息（Message）端口

消息端口是一个可选的接口，消息事务既能在I/O端口上发送，也能在独立的消息端口上发送。独立的消息端口类型为Initiator/Target类型。下图是消息端口的示意图：
其变量名与I/O端口命名规则类似。

3.1.3 用户自定义端口

用户自定义端口是一个可选的端口，它包括两个AXI4-Stream通道，一个用于发送另一个用来接收。用户自定义端口仅仅支持SRIO Stream格式的事务。下图是用户自定义端口的示意图：

3.1.4 维护端口

维护端口使用的是AXI4-Lite接口协议，AXI4-Lite接口允许用户访问本地或远程配置空间。下图是AXI4-Lite维护端口示意图：
　　

3.1.5 Status状态接口

deviceid[15:0] : Base DeviceID CSR（偏移地址为0x60）寄存器的值
port_decode_error: 输出 此信号为高说明用户自定义端口未使能，一个不支持的事务被接收并立即丢弃。当下一个支持的事务包在任意用户接口被接收以后此信号被拉低。这个信号同步于log_clk信号

3.2、Buffer接口

该部分接口对于顶层而言是不可见的。他的功能也比较好理解，主要有里俩点：

1. 处理跨时钟域的问题：当生成IP核的时候可以根据需求添加或者移除跨时钟域逻辑。对于多通道的RapidIO来说，由于物理层的时钟在start-up场景和traindown场景是动态的，所以推荐把跨时钟域逻辑加上，这样可以保证用户逻辑工作在已知的速率上。
2. 发对送和接收的包进行缓冲：发送Buffer负责把将要发出去的事务放到队列中，并对发往物理层（PHY）的包流进行管理。接收Buffer和发送Buffer的大小可以在IP核中配置为8、16或32个包的深度。发送Buffer是一个存储和转发缓冲区，它是用来降低包到包的延迟以最大化流吞吐量。发送Buffer必须保存每个包直到包被接收方成功接收，当接收方成功接收包以后，发送Buffer才会释放包来给其他包腾出空间。当流控（Flow Control）发生时，通常会有多个未发送的包滞留在发送Buffer中，发送Buffer会根据包的类型与优先级进行重新排序，然后按照响应包先发送，请求包后发送的顺序把发送Buffer中的包依次发出去。

3.3、PHY物理层接口

物理层（PHY）用来处理链路训练（Link Training），初始化（Initialization）和协议（Protocol），同时还包括包循环冗余校验码（CRC）与应答标识符的插入。物理层接口与高速串行收发器相连。串行收发器在IP核中被设计为一个外部的例化模块以降低用户使用模型的难度。

四、HELLO包格式

为了简化RapidIO包的构建过程，RapidIO核的事务传输接口（ireq，treq，iresp，tresp）可以配置为HELLO（Header Encoded Logical Layer Optimized）格式。这种格式把包的包头（Header）域进行标准化，而且把包头和数据在接口上分开传输，这将简化控制逻辑并且允许数据与发送边界对齐，有助于数据的管理。

4.1、包头字段定义

详细含义请参考pg007

4.2、不同传输情况

HELLO格式的包中Size域的值等于传输的字节的总数减1，Size域的有效值范围为0-255（特别注意：size以字节byte为单位！），对应于实际传输的字节数量1~256。HELLO格式中的size和address域必须对应于RapidIO包中有效的size，address和wdptr域，所以HELLO格式的size和address字段的值存在一些限制条件。RapidIO核不能把Size域中的非法值修正为实际RapidIO包中Size域的有效值，所以需要对HELLO格式包的Size域提供一个正确的值。由于AXI4-Stream协议中tdata信号为8个字节，也就是一个双字（Double Word），所以Size域的值需要分两种情况讨论：传输的数据量小于8字节和传输的数据量大于8字节。
（1）Sub-DWORD Accesses ：传输的数据量小于8字节
对于传输的数据量小于8字节的情况，address字段和size字段用来决定有效的字节位置（tkeep信号必须为0xff），但是仅仅能导致RapidIO包中rdsize/wrsize和wdptr为有效值的address和size值组合才是被允许的，下图是HELLO格式中address和size两个字段与有效字节位置的对应关系示意图（图中灰色部分为有效字节位置

例如，对size=5，address=34’h1_1234_5672这两个组合来说，由于size=5，所以往address中写入的数据个数为6（size+1）个字节，而address的最低3位为2(3’b010)，通过上图可知，有效字节的位置是第7、6、5、4、3、2六个字节。对于size和address[2:0]值的组合不在上图中的情况都是非法的，这是应该避免的，比如，size=5， address=34’h1_1234_5673这种组合就属于非法的组合。
（2）Large Accesses ：传输的数据量大于8字节
对于传输的数据量大于8字节，并且地址的起始字节偏移不为0的情况必须把数据分成多次进行传输，其中未对齐的小于8字节的段就可以通过上图中size和address的有效组合来确定有效字节的位置。另一种解决办法是，读操作的数据量大小可以被增加到下一个支持的大小，然后从对应的响应中剥离出必要的数据。

因此，对于数据量为1个双字（8个字节）或更大的情况，address的最低3位必须为0，RapidIO手册给读写事务定义了范围从1到256个字节的可支持的数据量。请求事务的数据量如果大于一个双字（8个字节），那么数据量应该通过四舍五入到最接近的支持的值。读写事务有效的HELLO格式的数据量为：7，15,31,63,95（仅支持读事务），127,159（仅支持读事务），191（仅支持读事务）,223（仅支持读事务）和255。

对于写事务的数据量介于以上这些支持的数据量中间的情况，在通道的tlast信号为1之前应该给RapidIO核提供必要的数据量，仅仅提供的数据才能被发送。同理，用户的设计提供的数据可能少于期望的数据量，那么实际的数据量应该被写入，传输应该假设完成。

RapidIO协议不支持传输的数据量大于256字节的情况，并且逻辑层（Logical）也不能把大于256字节的数据量分割为小的数据量进行发送。如果不满足这个要求可能会导致致命的链路错误，在这种错误情况下，链路可能会不断重传数据量大于256字节的包。所以我们发送数据的时候要注意自己拆分数据。

五、事务类型

RapidIO协议定义了七种事务类型，每种事务类型执行不同的功能。RapidIO包格式中的FTYPE字段与TTYPE字段共同确定了事务的类型，与标准RapidIO协议不同的是，RapidIO核中定义了第9类事务（FTYPE=9）——DATA STREAMING事务，它是一类带有数据负载的写事务，而标准RapidIO协议中第9类事务是保留事务。详细的对应关系如下表所示：