CN110968540A - 一种基于vpx双星型冗余高速背板 - Google Patents

一种基于vpx双星型冗余高速背板 Download PDF

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李文佳
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Abstract

本发明涉及一种基于VPX双星型冗余高速背板，其中，电源刀片***刀片插槽后，通过背板电源平面上的电源总线给背板上的所有功能刀片和交换刀片供电；各个刀片***刀片插槽后由背板管理平面上的IPMB总线互连到一起，进行管理控制，其中交换刀片作为主设备管理监控各个功能刀片和电源刀片的信息，控制各个功能刀片的复位启动操作；各个处理刀片***刀片插槽后由背板在控制平面和数据平面上，通过交换刀片的交换芯片，通过以太网总线和SRIO总线进行互连，其中以太网总线在控制平面上实现各个功能刀片上控制信号的传输，各个处理刀片***相应刀片插槽后由背板在扩展平面上，采用SRIO总线进行两两处理刀片之间的互连，组成网络型互连架构，数据直接在各个处理刀片之间进行数据传输。

Description

一种基于VPX双星型冗余高速背板
技术领域
本发明涉及一种雷达信号处理技术，特别涉及一种基于VPX双星型冗余高速背板。
背景技术
在雷达信号数据处理***，包括DSP处理刀片、高性能密集处理刀片、存储处理刀片、预处理刀片、SRIO交换刀片、电源刀片等刀片，这些刀片通过VPX高速背板互连。
现有方式中，CPCI架构平台已满足不了FPGA、DSP、CPU等处理器对背板高速传输、单板高功耗以及互连总线复杂的要求，同时CPCI架构不具备双星型冗余设计条件，满足不了新形势下雷达信号数据处理***对安全性和可靠性的高要求。
现有方式中，雷达信号数据处理***采用CPCI架构平台，CPCI是一种开放总线接口标准，是以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线，可以应用于恶劣的工作环境中。但随着FPGA、DSP、CPU等硬件处理器及计算机软件的飞速发展，采集的数据频率越来越高，雷达数据管道变得越来越宽，CPCI架构已满足不了新形势下高速传输、单板高功耗以及互连总线复杂的高要求，满足不了新形势下雷达信号数据处理***对安全性和可靠性的高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种VPX高速背板***，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种VPX高速背板***，其中，该VPX背板***包括：各种刀片插槽，信号总线互联方式分为SRIO总线、以太网总线、IPMB总线和供电总线；电源刀片***刀片插槽后，通过背板电源平面上的电源总线给背板上的所有功能刀片和交换刀片供电；各个刀片***刀片插槽后由背板管理平面上的IPMB总线互连到一起，进行管理控制，其中交换刀片作为主设备管理监控各个功能刀片和电源刀片的信息，控制各个功能刀片的复位启动操作；各个处理刀片***刀片插槽后由背板在控制平面和数据平面上，通过交换刀片的交换芯片，通过以太网总线和SRIO总线进行互连，其中以太网总线在控制平面上实现各个功能刀片上控制信号的传输，其中SRIO总线在数据平面上实现各个功能刀片上大容量数据信号的传输，SRIO总线和以太网总线互连均采用双星型的互连架构；各个处理刀片***相应刀片插槽后由背板在扩展平面上，采用SRIO总线进行两两处理刀片之间的互连，组成网络型互连架构，数据直接在各个处理刀片之间进行数据传输。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，处理刀片A与相邻处理刀片B和处理刀片J通过SRIO x4总线相连，处理刀片A与相隔槽位的处理刀片C和处理刀片I通过SRIO x4总线相连，以此类推构成网络型冗余互连拓扑架构。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，网络型冗余互连拓扑在工作过程中，当处理刀片A把数据传给最远节点处理刀片F时，处理刀片A以处理刀片B和处理刀片D为中间传输节点，处理刀片A先把数据传给处理刀片B，然后由处理刀片B把数据传给处理刀片D，最后再由处理刀片D传给最终节点处理刀片F。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，背板VPX连接器采用国产VPX20连接器。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，SRIO总线采用RapidIO3.2通信协议，交换刀片上SRIO交换芯片采用IDT公司的RXS2448芯片。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，SRIO总线在数据平面上采用x4的串行RapidIO协议实现各个功能刀片上数据的传输。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，包含两个电源刀片槽、两个交换刀片槽和10个处理刀片槽。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，雷达信号数据处理机通过软件对***工作进行仲裁分配，选择工作的刀片槽。
根据本发明的VPX高速背板***的一实施例，其中，数据处理机上的各个的刀片使用高速VPX连接器***背板槽内，在背板的数据平面上采用SRIO协议总线进行通信，在背板的控制平面上采用以太网协议总线进行通信，两个平面数据交换均采用双星型冗余的互连拓扑结构，星网中任何两个处理刀片节点要进行通信需经过中心交换刀片星极节点，每一个要发送数据的处理刀片需要将数据发送到中心星极节点，再由中心星极节点负责将数据送到目的处理刀片。
本发明用VPX高速总线互连技术，实现了数据处理机内各个处理刀片之间的高速大容量数据可靠传输和交互；通过背板上数据平面和控制平面上双星型互连设计保证一个交换刀片星极出故障，另一个交换刀片星极能保证***正常工作；通过背板上扩展平面SRIO互连的冗余设计保证两个交换刀片都出故障，***依然能有一定的工作能力，而不至于直接瘫痪；从而解决整个雷达信号数据处理机在复杂恶劣环境下的高速传输、安全性和可靠性的需求。
附图说明
图1是VPX高速背板***组成示意图；
图2为双星型互连拓扑图；
图3为VPX背板扩展平面的冗余互连拓扑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1是VPX高速背板***组成示意图，如图1所示，该VPX背板***包括：电源刀片插槽、处理器刀片插槽、交换刀片插槽，按信号总线互联方式分为SRIO总线、以太网总线、IPMB总线和供电总线，按功能可分为扩展平面、数据平面、控制平面、管理平面和电源平面五种平面。
电源刀片***电源插槽后，通过背板电源平面上的电源总线给整个背板上的所有功能刀片和交换刀片供电；各个刀片***插槽后由背板管理平面上的IPMB总线互连到一起，进行管理控制，其中交换刀片作为主设备管理监控各个功能刀片和电源刀片的在位状态、工作状态、电压、电流、***版本、处理器型号等，控制各个功能刀片的复位启动等操作。
各个处理刀片***插槽后由背板在控制平面和数据平面上，通过交换刀片的交换芯片，采用以太网总线和SRIO总线进行互连，其中以太网总线在控制平面上实现各个功能刀片上控制信号的传输，SRIO总线在数据平面上采用x4的串行RapidIO协议实现各个功能刀片上大数据的传输，两种总线互连均采用双星型的互连架构。
各个处理刀片***插槽后由背板在扩展平面上，采用SRIO总线进行两两处理刀片之间的互连，组成网络型互连架构，这样数据不通过交换芯片，也可以在各个处理刀片之间进行数据传输。
图2为双星型互连拓扑图，如图1以及图2所示，本发明设计的高速背板包含两个电源刀片槽、两个交换刀片槽和10个处理刀片槽。其中处理刀片采用通用兼容性设计，各个处理刀片间可以互换，工作时互相配合又互相独立，比如当Slot3插槽处理刀片工作异常时，雷达信号数据处理机通过软件对***工作进行仲裁分配，由Slot4插槽处理刀片或者Slot5插槽处理刀片承担Slot3插槽处理刀片的工作。由此来保证处理刀片工作的可靠性和安全性。
如图1以及图2所示，其中处理刀片包含DSP处理刀片、高性能密集处理刀片、存储处理刀片、预处理刀片等，同时处理刀片采用通用兼容刀片设计方法，各种刀片与背板互连信号点定义一致，可实现处理刀片槽间的刀片互换。同时电源刀片插槽安装在背板的Slot1和Slot2两个插槽上，交换刀片插槽安装在背板的Slot8和Slot9两个插槽上，处理刀片插槽安装在背板的Slot3～Slot7和Slot10～Slot14这10个插槽上。背板上的各个刀片通过SRIO总线、以太网总线、IPMB总线等总线进行互连和数据交互，按照互连交换功能分为扩展平面、数据平面、控制平面、管理平面和电源平面五种平面。
如图2所示，本发明设计的高速VPX背板在数据平面与控制平面的采用双星型冗余的互连设计方法。其中数据处理机上的各个的刀片使用高速VPX连接器***背板槽内，在背板的数据平面上采用SRIO协议总线进行通信，在背板的控制平面上采用以太网协议总线进行通信，两个平面数据交换均采用双星型冗余的互连拓扑结构。具体有信号数据处理机内以交换刀片A和交换刀片B作为两个中心星极，处理刀片A、处理刀片B等处理刀片同时与交换刀片A和交换刀片B互连，由此组成双星型星网互连拓扑图。星网中任何两个处理刀片节点要进行通信都必须经过中心交换刀片星极节点。每一个要发送数据的处理刀片都要将数据发送到中心星极节点，再由中心星极节点负责将数据送到目的处理刀片。处理刀片间的数据交换传输通道优先选择交换刀片A，当交换刀片A出现故障，处理刀片间的数据交换传输通道切换到交换刀片B，这样信号数据处理机依然能正常工作。
该双星型冗余互连的优点是：a、任何一个节点只和中心星极节点相连接，致使访问协议十分简单，易于网络监控和管理；b、中心星极节点可以对连接线路逐一隔离进行故障定位和排查，利于***故障诊断；c、双星型互连工作过程中，当有一个中心星极节点出问题，***依然能保持正常工作。
图3为VPX背板扩展平面的冗余互连拓扑图，如图3所示，本发明设计的高速VPX背板在扩展平面上采用的SRIO协议总线对各个处理刀片之间进行冗余互连，它借鉴网络型互连的思路。
其中，处理刀片A与相邻处理刀片B和处理刀片J通过SRIO x4总线相连，同时处理刀片A与隔个槽位的处理刀片C和处理刀片I通过SRIO x4总线相连，其它处理刀片在扩展平面上互连方式与处理刀片A一样，由此构成网络型冗余互连拓扑架构。网络型冗余互连拓扑在工作过程中，当处理刀片A需要把数据传给最远节点处理刀片F时，处理刀片A以处理刀片B和处理刀片D为中间传输节点，处理刀片A先把数据传给处理刀片B，然后由处理刀片B把数据传给处理刀片D，最后再由处理刀片D传给最终节点处理刀片F。
当网络型冗余互连拓扑架构在工作过程中一个节点处理刀片出现故障，如处理刀片A出现故障，与之相连的处理刀片B、处理刀片C、处理刀片J和处理刀片I上依然还有三路与拓扑架构内的SRIO x4总线相连，这样保证数据处理计算机内某一个或两个处理刀片出现故障，***依然能保持正常数据通信传输。当雷达信号数据处理计算机在极端恶劣环境下工作时，两个星极交换刀片同时出现故障，各个处理刀片可以不通过交换刀片进行数据交换传输，而采用扩展平面的冗余互连进行数据交换传输，***也能保持基本的工作。
进一步的为实现背板高速总线互连的需求，背板VPX连接器采用速率最快的坚固背板连接器，该连接器为中航光电科技有限公司研制的国产VPX20连接器，是目前市场上适用于嵌入式计算机***速度最快的坚固背板连接器之一。它符合VITA 46行业标准，与现有OpenVPX***向后兼容，最高速率达到20Gbps。背板的印制板选用高速板材，板材型号规格选用M6(R-5775)；印制板PCB高速信号走线采用差分等长线和圆弧走线等方法，对印制板走线进行信号仿真，阻抗匹配约束；印制板加工过程采用背钻等技术，保证背板高速信号的完整性。
SRIO总线采用RapidIO3.2通信协议，该协议是现阶段SRIO总线在工程应用中速率最高的协议，最高速率可配置为12.5Gbps，交换刀片上SRIO交换芯片采用IDT公司的RXS2448芯片，每路速率可配置为1.25、2.5、5、6.25、10.3125、12.5Gbps。以太网总线采用千兆以太网传输技术，同时兼容万兆以太网传输技术，交换刀片上以太网交换芯片采用博通公司的BCM53415芯片实现，每路SerDes可配置为1.25Gbps和10.3125Gbps线速传输。这样可以满足控制平面中千兆以太网或万兆以太网交换可选的灵活设计。
本发明的一种VPX高速背板，采用双星型冗余的设计方法，在背板上两个SRIO交换刀片作为两个中心星极，每个交换刀片都有一路SRIO和一路以太网与功能处理刀片互连，保证一个星极出故障，另一星极依然能保证***正常工作；同时在背板扩展平面上采用冗余互连设计，即各个功能刀片之间分别有一路SRIO两两之间互连，组成网络型结构，保证两个星极都故障情况下，***依然能保持一定的工作能力，以此实现***对工作时的安全性和可靠性的高要求。
本发明技术已应用于高性能雷达信号数据处理计算机上。采用VPX高速总线互连技术，实现了数据处理机内各个处理刀片之间的高速大容量数据可靠传输和交互；通过双星型互连设计保证一个交换刀片星极出故障，另一个交换刀片星极能保证***正常工作；通过扩展平面SRIO互联的冗余设计保证两个交换刀片都出故障，***依然能有一定的工作能力，而不至于直接瘫痪；从而解决整个雷达信号数据处理机的高速传输、安全性和可靠性的需求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种VPX高速背板***，其特征在于，该VPX背板***包括：各种刀片插槽，信号总线互联方式分为SRIO总线、以太网总线、IPMB总线和供电总线；
电源刀片***刀片插槽后，通过背板电源平面上的电源总线给背板上的所有功能刀片和交换刀片供电；各个刀片***刀片插槽后由背板管理平面上的IPMB总线互连到一起，进行管理控制，其中交换刀片作为主设备管理监控各个功能刀片和电源刀片的信息，控制各个功能刀片的复位启动操作；
各个处理刀片***刀片插槽后由背板在控制平面和数据平面上，通过交换刀片的交换芯片，通过以太网总线和SRIO总线进行互连，其中以太网总线在控制平面上实现各个功能刀片上控制信号的传输，其中SRIO总线在数据平面上实现各个功能刀片上大容量数据信号的传输，SRIO总线和以太网总线互连均采用双星型的互连架构；
各个处理刀片***相应刀片插槽后由背板在扩展平面上，采用SRIO总线进行两两处理刀片之间的互连，组成网络型互连架构，这样数据不经过交换刀片，可以直接在各个处理刀片之间进行数据传输。
2.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，处理刀片A与相邻处理刀片B和处理刀片J通过SRIO x4总线相连，处理刀片A与相隔槽位的处理刀片C和处理刀片I通过SRIO x4总线相连，以此类推构成网络型冗余互连拓扑架构。
3.如权利要求2所述的VPX高速背板***，其特征在于，网络型冗余互连拓扑在工作过程中，当处理刀片A把数据传给最远节点处理刀片F时，处理刀片A以处理刀片B和处理刀片D为中间传输节点，处理刀片A先把数据传给处理刀片B，然后由处理刀片B把数据传给处理刀片D，最后再由处理刀片D传给最终节点处理刀片F。
4.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，背板VPX连接器采用国产VPX20连接器。
5.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，SRIO总线采用RapidIO3.2通信协议，交换刀片上SRIO交换芯片采用IDT公司的RXS2448芯片。
6.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，SRIO总线在数据平面上采用x4的串行RapidIO协议实现各个功能刀片上数据的传输。
7.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，包含两个电源刀片槽、两个交换刀片槽和10个处理刀片槽。
8.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，雷达信号数据处理机通过软件对***工作进行仲裁分配，选择工作的刀片槽。
9.如权利要求1所述的VPX高速背板***，其特征在于，其中数据处理机上的各个的刀片使用高速VPX连接器***背板槽内，在背板的数据平面上采用SRIO协议总线进行通信，在背板的控制平面上采用以太网协议总线进行通信，两个平面数据交换均采用双星型冗余的互连拓扑结构，星网中任何两个处理刀片节点要进行通信需经过中心交换刀片星极节点，每一个要发送数据的处理刀片需要将数据发送到中心星极节点，再由中心星极节点负责将数据送到目的处理刀片。
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