關鍵詞：SOC, VPX, COTS, SWaP, ?Fabric

1 ?概述

高端計算機系統架構設計，可分為宏觀設計和微觀設計。宏觀設計是整個大型計算機網絡架構設計，微觀設計是單系統/子系統內部背板架構設計。從整個大型計算機系統設計來看，目前不管是工業、電信、還是國防系統中，更多地采用分層的分布式網絡結構，這種結構，短期內不會有太大改變；但在微觀系統(單/子系統內部)架構設計來看，隨著處理器處理能力和數據傳輸技術不斷發展，已經有了跨越式改進。

2 ?半導體技術推進系統微觀架構革新

傳統計算機系統的微觀架構通常采用基于VME、CPCI、VXI等規范的并行結構。但隨著近些年來半導體技術的飛速發展，各種新的結構不斷涌現，如SOC的出現極大的提高了單一系統的運算能力(單節點可達574Gflops)，而基于HSSP(高速串行差分協議)的Fabric(背板交換)技術則解決了通過背板進行高速、大塊數據傳輸的難題(微觀背板吞吐能力可以提高到100GBPS的量級)。

3 ?新穎的的背板交換形式 - VPX

現在市場上比較流行的Fabric形式有多種，其中尤以VPX引人關注，VPX一般應用于對環境、尺寸、功耗、重量要求比較苛刻的應用當中，如軍工、航空航天、車載、高端工業數據處理平臺等。

VPX是一種總線標準，但不是一種并行總線標準。VPX顛覆了原來并行總線的概念，它是一種點到點式的背板交換結構，通過多路背板HSSP信號定制微觀系統內點到點數據交換拓撲。支持這種交換架構設計的HSSP信號有sRIO(serial Rapid IO) 、PCI-eXpress、10GigaNet、40GigaNet等。

隨著雙核、四核、八核、100核到眾核(many core)處理器的不斷更新，微觀系統內數據交互可以達到幾百個Gbps。顯然，傳統并行背板系統架構由于受總線時鐘、數據位寬、電磁干擾的限制，已經很難承受如此之大的數據流量要求。

而VPX的低壓串行差分信號高速數據傳輸能力和抗干擾能力很好的解決了這一難題，其最新的高速差分信號速率可以達到10Gbps，同時不受時鐘、數據/地址位寬限制，且這種高速串行差分信號對可以根據系統設計需要進行端口捆綁，實現多端口并行傳輸，實現數據流量的最大化。300GB/s的數據流量通過VPX背板可以輕松實現交互，使其背板的吞吐能力比傳統的并行總線架構提高了100倍以上。

典型的VPX系統交換架構有星型及網狀兩種。星型架構可以擴展系統負載數量，一般可以達到18個負載，星型架構中一般分為兩種：單星結構和雙星結構?？梢愿鶕到y的復雜程度來選擇使用什么樣的結構。圖2是一個單星結構，從中可以看到所有負載節點都是通過同一個Fabric交換來實現點到點互聯結構。

在很多系統設計前期，使用網狀結構來搭建實驗室平臺或小型實驗系統也會經常遇到。這樣既可以實現點到點高速串行互聯結構，也可以一定程度上節省前期開發成本。但背板負載數量有一定限制，一般5個負載以下，可以實現全網狀結構。如圖3所示的5負載網狀結構。

最新的VPX標準中，微觀背板架構設計充分利用宏觀系統架構設計中的分層理念，把所有背板交換(Fabric)信號分為功能平面、管理平面、控制平面、數據平面和擴展平面五層面(如圖4所示)，從而實現微觀背板數據交換清晰的流量控制。

圖 (4), 微觀系統背板架構分層模型

每個層面的互聯都采用前述提到的星型或網狀拓撲。這種設計方式在未來的系統設計中將會是主要方向。根據不同的系統要求，可以選擇使用不同交換平面組合。

5 ?典型系統架構設計

圖5是一個典型高端計算機系統設計架構，其是AESA雷達應用案例。宏觀上采用3層網絡系統結構；微觀上，每個系統內部采用背板交換結構。每個微觀系統中使用5塊高端單板信號處理計算機(DSP)，各DSP間通過高速HSSP端口交互。這種從宏觀到微觀，從混合到分層的系統設計思路將會是未來大型系統設計的基礎。

圖 (5) 典型高端計算機系統設計結構

圖6是關于此系統中VPX微觀系統架構的細化。其中使用了5片DSP計算機，多個DSP間通過sRIO實現高速背板數據交互，系統的浮點處理能力可以達到384Gflops。

圖(6)， AESA案例

6 ?系統架構發展預測

所有的事情都是動態發展變化的，系統架構設計也不會例外。系統設計必須充分考慮到將來系統擴展的復雜性、兼容性。由于單個計算微觀子系統的處理能力不斷增強，把宏觀系統中的多個子系統合并成為一個微觀子系統在技術上已經可行。在可預見的將來，隨著技術、工藝的發展及對環境的重視程度加深，系統設計在宏觀架構上會保持分層結構并盡量簡單化；在微觀架構上會盡量做到高性能、小尺寸、低重量和低功耗或者叫SWaP。

參考文獻：

1， VITA46標準

2， OpenVPX 標準1.2

3， 嵌入式產品手冊

總結

以上是生活随笔為你收集整理的vpx计算机论文,高端计算机系统架构设计与VPX总线的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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