高速串行总线技术发展与应用分析

虽然在嵌入式系统中有许多连接元件的方法，但最主要的还是以太网、PCI Express和RapidIO这三种高速串行标准。所有这三种标准都使用相似的串行解串器(SerDes)技术，它们提供的吞吐量和时延性能都要超过宽的并行总线技术。随着这些标准的不断发展，今后的趋势将是采用通用SerDes技术。这意味着这些协议提供的原始带宽不会有明显的差异。相反，每种协议的用途将取决于如何使用带宽。

大多数设计人员都很熟悉基本的以太网协议特征。以太网是一种'尽力而为'的数据包传送方式。在电感生产厂家以太网物理层上建立的软件协议，如TCP/IP，需要提供信息的可靠传输，因为基于以太网的系统一般在网络层执行流量控制，而不是在物理层。一般基于以太网的系统带宽都要超配20%到70%。因此以太网最适合高时延的设备间应用，或带宽要求较低的板上/板间应用。

相反，PCI Express(PCIe)针对板上互连的数据包可靠传送作了优化，这种场合的典型时延在毫秒数量级。PCIe协议交换的是事务处理层数据包(TLP)，如读和写，以及被称为数据链路层数据包(DLLP) 的少量特殊链路信息。DLLP用于链路管理功能，包括物理层的流量控制。PCIe后向兼容传统的PCI和PCI-X器件，这些器件认为处理器位于总线层的顶部，因此PCIe具有能够充分利用与PCI相关的软件和硬件知识产权的优势。正如后文要讨论的那样，传统PCI总线对交换式PCIe协议有很大的约束。

RapidIO 技术则针对嵌入式系统作了优化，尤其是那些要求多处理单元合作的嵌入式系统。与PCIe一样，RapidIO协议交换的是数据包和被称为控制符的少量特殊链路信息。RapidIO兼具PCIe和以太网的特性。例如，RapidIO可以提供可靠和非可靠的数据包传送机制。RapidIO也具有许多独特的功能，因此最适合板差模电感器上、板间以及短距离(小于100米)的设备间应用。

物理层

在物理层/链路层，这些协议在流量控制和误码恢复方面插件电感有很大的区别。以太网流量控制主要是在网络层用软件实现的，因为对大型网络来说这是最有效的处理方式。以太网唯一的物理层流量控制机制是PAUSE，它将中断传输一定的时间。有限的物理层流量控制意味着以太网将采用弃包的方式处理拥塞。

相反，PCIe和RapidIO的物理层流量控制机制可确保数据包的可靠传送。每个包都会被发送器保留直到被确认。如果检测到发送误码，链路维护协议可确保发生误码的数据包得到重传。

PCIe 保证采用数据链路层数据绕行电感包(DLLP)发送，而RapidIO则使用控制符进行发送。与DLLP不同的是，RapidIO控制符可以被嵌入在数据包内，这样可以实现低时延的RapidIO流量控制信息(如缓存占用量)交换，将允许更快地发送更多的数据包。图1阐明了这一概念。在最左边部分，器件A不能向器件B发送任何数据包，因为器件B中的缓存是满的。器件B在向器件A连续发送数据包。

图1：RapidIO嵌入式控制符和PCIe DLLP。
在图的中间部分，器件B中的一个缓存空出来了。此时器件B必须告知器件A它能发送数据包了。在右边底部的PCIe部分，DLLP在当前数据包的传送完成之前是无法得空心电感线圈到传送的。在右边顶部的RapidIO部分，控制符被嵌入进了正在发送的数据包内。因此与其它协议相比，RapidIO协议能以更低时延和更高吞吐量完成可靠的数据包传送。将控制符嵌入进数据包的能力使得RapidIO流量控制的其余功能比PCIe或以太网都要丰富，后文对此将有进一步描述。

除了更有效的流量控制外，将控制符嵌入进数据包使得RapidIO具有PCIe和以太网目前无法提供的能力。控制符可以用来低时延和低抖动地在整个RapidIO系统中分配事件，如图2所示。

图2：RapidIO组播事件控制符和PCIe DLLP。
这一功能可以支持将公共实时时钟信号分配到多个端点或为天线系统分配帧信号等应用，还可以用于发送其它系统事件信息，以及实现多处理器系统中的调试。如图2 所示，PCIe的DLLP在每次通过交换机传送时都会引入很大的时延和抖动。相反，RapidIO协议允许在整个RapidIO架构中分配信号时具有低于 10个单位间隔(UI)的抖动性能和每次交换低于50ns的时延性能，并且与数据包业务无关。 1

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