唐 宇

（中国西南电子技术研究所，成都 610036）

1 引言

传统机载系统采用联合式航空体系结构，由于功能软件与特定的硬件绑定，软件重用性差，系统重复开发、升级测试质量成本高，集成复杂。随着集成技术的不断发展，一种基于RapidIO高速交换总线网络的模块化综合集成方法成为解决机载系统集成的有效途径。该方法针对联合式机载系统速率低、延迟大，硬件软件耦合严重，系统维护升级困难问题，参考国际标准ISO/IEC18372《RapidIO互连规范》在RapidIO总线基础上构建了基于“虚通道”的网络管理与通信中间件，解决了实际工程问题，最终提炼升华为《机载系统串行RapidIO总线标准》（简称《机载RapidIO标准》）。本文第一节介绍了机载RapidIO标准的编制过程，第二节分析了机载RapidIO标准，重点是网络管理与通信层标准，第三节论述了利用该标准的设计原则。

2 机载RapidIO标准的编制过程

2.1 国际标准《RapidIO互连规范》介绍

RapidIO是一种分组交换结构，目的是连接线路板上的芯片和机箱内的线路板。1997年由Motorola等11个单位发起成立了RapidIO行业协会。2003年10月被国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）批准为开放式系统互连参考模型OSI/IEC18372《RapidIO互连规范》。

该规范分三层体系结构，分别为逻辑层、传输层和物理层。其中物理层对应OSI七层网络模型中的物理层及链路层，传输层对应OSI七层网络模型中的网络层，逻辑层对应OSI七层网络模型中的传输层及表示层。

逻辑层规范位于最高层，定义全部协议和包格式，为端点器件发起和完成事务提供必要的信息，包括逻辑I/O操作、消息传递操作、共享内存操作、流控及数据流操作。传输层规范定义RapidIO地址空间和在端节点间传输包所需的路由信息。物理层规范定义了器件级接口细节，如包传输机制、流控、电气特性和底层错误管理等。

2.2 机载RapidIO标准的主要内容

串行RapidIO总线是一种新型高性能、低引脚数、基于报文交换的互连体系结构，预计可以满足现在和未来20年机载综合射频系统互连需求。《机载RapidIO标准》的主要内容基于ISO/IEC18372《RapidIO互连规范》（以V1.3版本为主、兼容V2.0版本的部分内容）及在机载系统中应用RapidIO总线的经验积累和成果总结，经过严谨论证，结合工程验证情况，采用、剪裁和演进。本标准的主要构成部分及内容来源包括：

a）串行物理层，因为并行物理层在机载系统中很少采用，所以剪裁掉，只保留《RapidIO互连规范》“第6部分：串行协议链路物理层”；

b）公共传输层，采用《RapidIO互连规范》“第3部分：公共传输规范”；

c）逻辑层，采用《RapidIO互连规范》的“第1部分：输入/输出逻辑规范”、“第2部分：消息传递逻辑规范”和“第5部分：全局共享存储器逻辑规范”；

d）网络管理与通信层，为在机载系统中应用RapidIO总线相关成果和经验的总结。

如图1所示，通过对国际标准的《RapidIO互连规范》三层体系内容进行选用和剪裁，在逻辑层之上新增加网络管理与通信层，形成适用于机载系统集成设计的《机载RapidIO标准》。

图1 机载RapidIO标准演进过程

2.3 网络管理与通信层编制依据

确定“网络管理与通信层”为本标准重要内容，来自于机载系统对模块化综合系统体系结构的需求。而解决航空模块级高度综合集成系统复杂性问题的根本出路在于如何将物理上高度耦合的系统划分为逻辑上松耦合系统，提高系统各实体的内聚性，降低各功能实体之间的耦合性。

模块化综合系统体系结构的诸多优势事实上也正是充分利用了分布式应用计算系统技术的进步而获得的。模块化综合系统用“虚通道”技术代替先前联合式系统中点到点有线互连，在一个集成的物理网络上通过软件在任意处理器之间创建虚连接的数据或命令通道，构建了功能强大的实时分布式计算能力，使得模块化综合系统最终脱离了传统联合式系统结构硬件的束缚，逻辑上实现松耦，本标准的网络管理与通信层正是在机载系统的平台上构建构建了一个是解决机载环境下的模块化综合系统集成的有效手段之一。

3 机载RapidIO标准分析

机载系统的功能实现是通过其内不同模块上的不同处理器间通信实现的。通常每个处理器只有1个物理端口，但根据完成的软件功能情况，可配置多个“虚通道”，多个“虚通道”复用同一个物理端口，这样功能软件就与实际硬件无关。本标准与国外标准的不同在于针对机载系统的模块的综合化作了量身定制：逻辑层之上构建网络管理与通信层，如图2所示。该层内的通信组件实现了“虚通道”，应用软件可通过通信组件屏蔽硬件差异，这样一个硬件就能部署多个应用，让用户只关注应用，降低硬件对功能的复杂度；网络管理组件管理RapidIO这种分布式网络资源，让系统控制对应用软件在具体硬件的部署有详细的把控。

网络管理与通信层的顶层为用户接口层，为应用软件提供统一的API应用编程接口，每个应用都使用同样的接口，用户无需关心底层硬件结构，屏蔽了应用随底层环境的改变而改变，有助于用户集中精力在应用逻辑部分。

网络管理与通信层中间层为核心层，包括网络管理及通信管理两个软件子系统。其中，网络管理软件子系统主要完成RapidIO网络发现及枚举、RapidIO网络资源抽象及仓储、RapidIO网络实时监测、RapidIO网络节点重构、RapidIO主备网络重构等功能。通信管理子系统主要完成通信连接建立、通信句柄管理、数据接收处理、数据发送处理、通信事件处理等功能。

网络管理与通信层底层为环境适配层，主要针对机载综合射频系统内的不同硬件模块，如信号处理模块、网络管理模块、数据处理模块完成RapidIO驱动及协议处理。

图2 网络管理与通信层结构

4 机载RapidIO系统集成设计原则

4.1 总体设计原则

从机载系统的功能需求出发，根据系统规模规划RapidIO网络架构，遵循“由下至上”从物理层到传输层、逻辑层再到网络管理与通信层中间件提供应用程序接口的设计原则。物理层、传输层和逻辑层除遵守国际标准《RapidIO互连规范》对应层相应的内容外，针对机载系统，需要额外符合以下设计原则：

物理层的设计原则：

a）RapidIO网络内的节点属于主节点、叶子节点和交换节点之中的任意一种；

b）主节点和叶子节点间通过交换节点互连，主节点和叶子节点之间不直接连接；

c）主节点和交换节点之间、叶子节点和和交换节点之间采用相同的物理层链路模式（1x或者4x）和相同的链路传输速率。

d）RapidIO网络采用星型或者双星型的互连拓扑。

传输层设计原则：

a）所有主节点和叶子节点一律使用大端模式（Big Endian）；

b）使用RIO总线的节点范围为0～255；

c）针对双星型互连冗余拓扑网络，主网管节点的ID为0，备网管节点的ID为254，剩余的1～253为叶子节点和交换节点共用。255保留为维护包使用。

逻辑层设计无额外要求。

4.2 网络管理与通信层使用方法

通过在逻辑层的基础上构建网络管理与通信层，实现机载系统的通信中间件功能。其环境适配层与逻辑层的RapidIO驱动接口相接，用户接口层与应用软件的功能接口相接，按照如下接口封装API函数，用户直接调用这些API函数就能完成数据收发功能：

trcsGetPort（CONNOBJ*objConn，char *szPortName，int nTimeout，int nGroupNumber，int receiveType）

函数说明：获取连接对象

rcsSend（CONNOBJ nConnObj，char *pData，int nDataLen，int fl ag）；

函数说明：发送数据。

在应用过程中，功能应用者通过rcsGetPort实现虚端口名称与通信句柄的映射，通过rcsSend完成发送数据。

5 结束语

现代军事电子系统的长寿命周期特点要求系统能够不断的进行功能扩展或需求变更，性能要求也不断提升，这导致机载系统设计复杂性急剧增加，本文针对《机载系统串行RapidIO总线标准》进行了深入剖析，对在实际工程中如何在RapidIO总线基础上使用网络管理与通信中间件，实现功能软件与硬件解耦合，提出了具体方法，具有指导作用。