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基于VPX架构的6U通用主控交换板设计与实现发布时间：2021-07-23T16:34:23.237Z 来源：《科学与技术》2021年第29卷3月第8期作者：张亚森姚志强陈露[导读] 应国家“自主可控”的发展需求，同时考虑下一代通用业务处理平台的适应模块化张亚森姚志强陈露中国电科网络通信研究院第5401所，河北石家庄，050081摘要：应国家“自主可控”的发展需求，同时考虑下一代通用业务处理平台的适应模块化、通用性、扩展性、可重构和平滑升级等要求，本文提出一种基于Open VPX标准的全国产化以太网交换与SRIO交换模块的设计与实现，详细阐述了以太网交互模块和SRIO交换模块的架构及硬件电路的设计，并对其功能和性能进行了测试验证，测试结果表明该模块完全满足现有设备的使用需求。
同时作为全国产化的产品，为国产自主可控设备的后续发展奠定了坚实基础，为未来大容量数据交换应用提供可靠保障。
关键词：以太网交换;SRIO交换;CTC5160;NRS18001 引言随着通信技术的快速发展，业务数据量的飞速提升，市场对高速总线的需求日益提高，原有的VME总线标准已不能满足技术应用需求，VPX总线应运而生。
VPX总线是VITA（VME International Trade Association，VME国际贸易协会）组织于2007年在其VME总线基础上提出的新一代高速串行总线标准。
采用高速的串行总线替代并行总线是其最主要变化，在接口技术上有多种高性能交换结构技术可供选择：Gigabit Ethernet（GbE）、Serial RapidIO（SRIO）、PCI Express（PCIe）等高速串行总线。
新的总线技术，新的系统构造机制，为通信系统获得更高的性能和带宽2019年初“中兴事件”的发生，不止给我们带来了危机敲响了警钟，同时也是一个契机。
面对外来的压力，掌握核心技术，自主创新，不再被他人所牵制，同时消除使用国外产品带来的后门和漏洞等安全隐患，研制国产化产品势在必行。
基于VPX标准3U通用处理模块设计作者：韩强来源：《电脑知识与技术》2018年第13期摘要：随着新一代机载航电系统的发展，数据处理模块设计日益复杂，研制可应用在多个航电系统中的通用化处理模块，具有重要意义。
本文提出一种基于VPX的3U通用处理模块，模块集成高性能处理器，对外提供PCIE、RapidIO等高速信号，模块可满足一般机载航电系统中对接口控制和数据处理的需求。
关键词：VPX；PCI-E；通用处理模块中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）13-0213-011 引言随着新一代机载航电系统的发展，系统对数据处理模块的运算处理和通信性能要求变得更高，模块的设计将变得更为复杂。
研制可以应用在不同航电系统中通用处理模块，对项目成本、管理、进度都有重要意义。
该研制可避免重复的设计，能有效降低项目研制成本，同时缩短产品研制周期。
VPX总线[1]是VITA（VME International Trade Association）组织提出的新一代高速串行总线标准，该标准规定了模块的基本结构、总线信号定义等相关内容。
VPX总线引入了RapidIO、PCI-E、万兆以太网、FC等高速串行总线[2]，采用高速串行总线替代之前VME总线的并行总线，采用交换式网络替代VME的总线式网络[3]，交换式的网络可大大提高系统内部通信性能，处理器可在任意时间发送数据，而不需等待总线后才发起传送，非常适合目前的具有多个处理器的航电系统[4]。
2 模块概述模块采用1片MPC8548E作为主处理器，主频1.0GHz。
存储资源包含DDR2 SDRAM、FLASH以及NVSRAM。
模块上通过FPGA来实现处理器局部端总线的控制逻辑，同时通过FPGA实现模块的输入/输出和中断控制。
处理器输出2路千兆以太网接口连接至底板连接器用于调试。
配置串行总线接口，对外输出×4 PCI-E 和×4 RapidIO。
基于OpenVPX的宽带交换平台设计向巍;李牧【期刊名称】《工业控制计算机》【年(卷),期】2015(000)011【摘要】设计了基于OpenVPX标准的宽带交换平台，该平台具有高带宽、高可靠性、易扩展和互操作性好等特点，符合下一代军用宽带交换技术的发展方向。
设计了符合VITA46／65规范的VPX交换模块，支持控制平面的16路以太网交换；通过安装符合VITA42规范的XMC扣板，支持数据平面的16路Serial RapidIO （SRIO）或PCIe交换。
设计了符合VITA46／65规范的VPX背板，支持6U或3U（欧卡标准）的SWITCH及PAYLOAD模块，以及支持符合VITA62规范的3U VPX电源模块。
交换模块通过插入PAYLOAD槽位，还可以自动工作在负载模块模式，减少了模块种类。
多块负载模块的CPU可通过数据平面通信，组成CPU整列，大大提升了系统的综合处理能力。
%Design a wideband switching platform based on openVPX,charactered by wideband,high reliability,high scala-bility and high interoperability,etc.and consistent with the development direction for the next generation of military wideband switch technology.Design a VPX switch module complied withVITA46/65,supporting 16 ports GE switching of control plane.【总页数】3页(P43-45)【作者】向巍;李牧【作者单位】广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510663;广州海格通信集团股份有限公司，广东广州 510663【正文语种】中文【相关文献】1.一种基于openVPX的通用信号处理平台设计 [J], 许烈华2.基于OpenVPX双冗余交换系统设计 [J], 夏鸿3.基于OpenVPX的全交换式信号处理平台设计 [J], 王巍;何军4.基于OpenVPX平台的宽带数字阵列雷达接收系统设计 [J], 吴颖奇;李卫星;张月;陈曾平5.基于高速宽带网的异构信电共享交换平台 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
厦门vpx设计方案VPX设计方案VPX即VITA 46，是由VITA（美国军事和工业电子计算机组织）制定的军用标准化开放架构。
VPX标准的设计目标是提供高性能、可扩展性和可靠性的计算平台，以应对军事和航空航天等领域对高计算能力和高传输速率的需求。
以下是针对厦门市的VPX设计方案。
1. 硬件设计方面：考虑到VPX的高性能需求，我们建议选择先进的多核处理器作为主要计算单元。
厦门VPX系统可采用Intel Xeon或AMD EPYC处理器，以提供更高的计算能力和并行处理能力。
在存储方面，我们推荐使用高速固态硬盘（SSD）或者NVMe 硬盘，以提供更高的数据传输速率和数据存储能力。
此外，VPX系统还应配备高性能的图形处理单元（GPU），以满足图像处理和数据分析的需求。
2. 通信与互联方面：VPX架构提供了高速的高速通信接口，因此VPX设计方案中应包含各种通信接口，以满足厦门市的需求。
例如，VPX系统应包括高速以太网（10GbE、40GbE或100GbE）接口，用于实现数据传输和远程监控。
此外，由于厦门地理位置特殊，需要考虑对VPX系统进行防护，以保证系统的稳定运行。
我们建议使用防尘、防水和防腐蚀的外壳，并采用冷却技术保持系统的温度稳定。
3. 软件设计方面：VPX设计方案中的软件部分应提供高度可定制的操作系统（如Linux或Windows），以适应厦门市的需求。
此外，我们还建议提供易于使用的图形用户界面（GUI），以方便用户进行配置和监控。
在应用程序开发方面，我们建议提供软件开发工具包（SDK）和应用程序接口（API），以便开发人员开发和集成自定义的应用程序和算法。
综上所述，VPX设计方案可以为厦门市提供高性能、可扩展性和可靠性的计算平台，满足厦门市在军事、航空航天等领域的需求。
该方案应包括先进的硬件设计、通信与互连方案和灵活的软件设计，以提供完整的解决方案和易于使用的用户界面。
基于VPX总线的高性能双核多处理器模块设计范大勇【摘要】为了更好的满足航电系统的综合化、模块化、高可靠性、海量信息处理的实时性等要求，设计了基于VPX总线的高性能双核多处理器模块，模块架构高度综合，数据处理能力及传输带宽得到极大提高，保证了海量信息处理的实时性。
【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】1页(P21-21)【关键词】VPX总线;双核处理器;互联【作者】范大勇【作者单位】洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471000【正文语种】中文为了更好的满足航电系统的综合化、模块化、高可靠性、海量信息处理的实时性等要求，设计了基于VPX总线的高性能双核多处理器模块，模块架构高度综合，采用两片e600核的双核处理器，支持矢量运算，单个核心最高主频可达1.5GHz，数据处理能力及传输带宽得到很大提高，保证了海量信息处理的实时性。
VPX模块主要由核心处理单元、内存控制单元、局部总线接口单元、高速串行接口单元、VPX接口单元、系统复位控制单元、系统时钟单元、调试/测试接口单元及电源转换单元组成。
其组成框图如图1所示。
2.1 核心处理单元设计。
CPU单元是模块数据处理的核心，选用2片Freescale公司的MPC8641D作为本模块的控制器。
MPC8641D主要特性如下：a.双CPU，主频最高达1.5GHz，单个CPU的处理能力最高可达3450M IPS；b.每个CPU核内嵌32Kbytes/1Mbytes二级缓存；c.8个32位定时器，可产生定时器中断；d.内嵌双路DDR SDRAM控制单元，两路互相独立，支持DDR或者DDR2，每一内存控制器支持高达16G的内存空间；e.内嵌SRapid IO接口单元，符合SRapidIO V1.2规范，可配置为4 x或者1x模式，传输速率为1.25Gbaud、2.5Gbaud和3.125Gbaud。
本模块中的SRapid IO单元均配置为4模式与交换器相连；f.内嵌PCI-E接口单元，符合PCI Express V1.0规范，可配置为1/2/4/8模式，每lane速率2.5Gbaud；g.内嵌4路10/100/1000Mbps以太网接口单元，支持多种以太网物理接口（M II、GM II、RM II、RGM II、RTBI和TBI）；h.内嵌两路UART接口，可用于系统调试功能；i.内嵌Local Bus单元，可扩展程序FLASH和NvRAM。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201921448747.8(22)申请日 2019.09.03(73)专利权人 浪潮集团有限公司地址 250100 山东省济南市高新区浪潮路1036号(72)发明人 赵素梅 张孝飞 刘强 (74)专利代理机构 济南信达专利事务所有限公司 37100代理人 孙晶伟(51)Int.Cl.G06F 13/38(2006.01)(54)实用新型名称一种基于VPX架构的交换板卡(57)摘要本实用新型公开一种基于VPX架构的交换板卡，涉及板卡技术领域；包括时钟模块一与时钟模块二，时钟模块一连接交换板卡上的嵌入式CPU，时钟模块二分别连接交换板卡上的RapidIO模块、网络模块及交换模块，SMC模块通过总线分别与时钟模块一与时钟模块二连接；本实用新型可以稳定、可靠、灵活地满足基于VPX架构的交换板卡各模块的时钟需求。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 210270882 U 2020.04.07C N 210270882U1.一种基于VPX架构的交换板卡，其特征是包括时钟模块一与时钟模块二，时钟模块一连接交换板卡上的嵌入式CPU，时钟模块二分别连接交换板卡上的Rapid IO模块、网络模块及交换模块，SMC模块通过总线分别与时钟模块一与时钟模块二连接。
2.根据权利要求1所述的交换板卡，其特征是时钟模块一为输出多路可调整时钟源信号的时钟芯片。
3.根据权利要求2所述的交换板卡，其特征是时钟模块一连接嵌入式CPU的每个SerDes 控制器，分别输出可调整时钟源信号到每个SerDes控制器。
4.根据权利要求1-3任一所述的交换板卡，其特征是时钟模块二为输出多路时钟源信号的时钟芯片，并且多路时钟源信号中存在可调整时钟源信号。
5.根据权利要求4所述的交换板卡，其特征是交换模块包括千兆交换模块和40G网络交换模块。
2018年第8期蓓e与电胭China Computer&Communication狹件开式与雇用基于VPX的国产化40G以太网交换模块设计邹维军顾燕飞(中国电子科技集团公司第三十二研究所，上海200233)摘要：为提高当前信息处理平台中交换模块的性能和解决网络的信息安全问题，研究了 VPX总线的标准规范，对 国产CPU和国产大容量交换芯片进行了调研。
结合信息处理平台中交换模块的需求，笔者提出一种基于Open VPX标准的 国产化40G以太网交换模块的设计与实现，详细阐述了国产化40G以太网交换模块的架构及硬件电路设计，对底层驱动 和采用的国产Reworks操作系统进行了介绍，最后对40G以太网交换模块的功能和性能进行了测试验证。
测试结果表明：国产化的40G以太网交换模块具有高性能、高可靠、低功耗的特点，同时，具备良好的通用性，可为未来国产化信息处 理平台中大容量数据交换领域的应用提供支撑。
关键词：40G以太网交换；VPX;国产化；自主可控中图分类号：TP393. 11 文献标识码：A文章编号：1003-9767 (2018) 08-081-03Design of Localized 40G Ethernet Switch Module Based on VPXZou Weijun, Gu Yanfei(The32nd Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shanghai200233, China) Abstract：In order to improve the performance of the switch module in the current information processing platform and to solve the information security problem of the network,the standard specifications of the VPX bus are studied,and the domestic CPU and the domestic large-capacity switch chip are investigated.In this paper,a design and implementation of a domestic40G Ethernet switch module based on the Open VPX standard is proposed in this paper.The architecture and hardware design of the40G Ethernet switch module are discussed in detail.And introduces the domestic ReWorks operating system.Finally,the function and performance of the 40G Ethernet switch module are tested and verified.The test results show that the40G Ethernet switch module made in China has the characteristics of high performance,high reliability and low power consumption,and good versatility at the same time.It can be used for the application of large-capacity data exchange in the domestic localization information processing platform in the future.Key words:40G etherenet switch;VPX;domestic;independent controllablei概述VPX标准是 VITA(VME International Trade Association,国际贸易协会）组织于2007年提出的新一代高速串行总线标 准。
VPX总线标准的发展先后经历了 VITA46、VITA48到目 前的VITA65,即OpenVPX规范。
由于VPX定义了多种平 面（控制、数据、扩展、管理）、多用途、多种网络、多种 连接器类型、多种温度特性、多种尺寸等选择项，使得VPX 模块类型可能的变化数量呈几何乘数趋势上升，提高了系统 的通用性。
Open VPX规范是一个基于VPX模块的开放式系 统架构，它创建了 VPX市场的通用规范，使得各种VPX标 准商用产品相关兼容。
该标准定义了模块结构、连接器、散热、通信协议、电源定义，描述了槽位定义、背板、模块及未定 义与应用间的特性，能够提高模块间的互操作能力，并保证 多个厂家产品可彼此兼容，并较好地支持系统升级换代。
为满足当前信息处理综合化平台中国产化的发展需求，本文设计了一款基于国产化的VPX40G以太网交换模块，其软硬件完全自主可控。
本文介绍了交换模块的各个单元设 计与实现，为国产化的网络安全产品的研制与应用提供了科 学的参考依据和工程指导。
2总体设计40G以太网交换模块主要用于雷达信号处理、数据处理作者简介：邹维军（1985-),男，江西宜春人，硕士研宄生，工程师。
研宄方向：计算机网络技术、嵌入式。
顾燕飞（1985-)，男，江苏启东人，硕士研宄生，工程师。
研宄方向：网络安全、嵌入式。
较件开疾与系用信層与电腼China Computer&Communication2018年第8期等需要大带宽髙速交换的应用场景，为满足雷达应用的需求，该交换模块具有髙带宽、转发性能髙、以太网转发带宽髙、传输时延低、处理器资源占用率低的特点。
硬件上，模块主 要包括CPU子系统、交换子系统、BMC子系统、电源及时 钟等，如图1所示。
其中CPU子系统要实现对交换子系统的 初始化、协议处理、配置管理和维护等功能；交换子系统主 要实现数据交换的功能，对外提供20路40GBASE-KR4交 换端口，16路1GBASE-X接口；BMC子系统实现模块的温 度、电压、故障上报功能，实现机箱级的控制管理；电源和 时钟为模块提供各芯片所需要的电压和时钟，保证模块的正 常工作。
2.1国产CPU子系统本设计中选用的国产CPU为龙芯2H，其最大支持主频 1.0 GHz，对外输出4路IX的PCIE，通过PCIE通道实现交 换子系统的初始化、协议处理、配置管理和维护等功能。
以龙芯2H为核心的CPU子系统支持1GB NAND FLASH、2GB DDR3 RAM@800MHz;支持2路1Gbps以太网端口，其中1路为调试接口，用于系统外部加载镜像，另一路为预留，可用于系统管理；支持2路RS232接口，其中1路串口用于系统 调试，另1路用于BMC与CPU之间的管理信息传输；支持 I2C、SPI等接口；软件上，龙芯2H适配锐华操作系统。
图1交换模块硬件架构框图2.2国产交换子系统交换子系统中，交换芯片作为交换模块的核心元器件，本设计采用苏州盛科网络专为高密度10GE/40GE应用打造 的高性能以太网交换芯片CTC8096,该芯片是盛科网络自 主研发的第四代交换芯片，具有性能优、功能强、功耗低 和髙可靠性、高性价比特点。
芯片由9.4个晶体管构成，具有1.2 T的交换能力，芯片提供多达48 x 10GE+6 x40GE 接口或96个10GE接口。
其SerDes的设计满足多个标®:SGMII、XAUI、DXAUI、XFI、SFI、10GBASE-KR、40GBASE-KR4、100G-KR4。
CTC8096 交换芯片的配置接口支持PCIE和以太网，实际应用中通常采用PCI E接口 [1]。
40G以太网交换模块通过国产VPX连接器对外提供20 路40GBASE-KR4交换端口，其中4路用于系统对外输入与 输出，另外，还提供16路1GBASE-X接口，其中4路用于系统对外输入与输出，系统应用时可根据实际应用要求灵活 配置，例如，可以通过软件配置成10G-XAUI或10GBASE-KR向下兼容低速领域的应用，同时，未使用的端口也可以 通过软件来关闭，以降低系统的功耗。
2.3 BMC管理子系统BMC子系统实现模块的温度、电压采集、上下电控制、复位和故障上报等功能，可实现模块级和机箱级的控制管理。
BMC子系统采用AST2400作为主要控制器，外围搭配256 M B的DDR3和512 M B的SPI Flash，对外提供了 2路千兆 以太网，其中一路用于调试，另一路与CPU互联可用于获取 CPU的状态信息；BMC子系统对外还提供2路IPMB总线，用于机箱级管理，收集系统中各模块状态信息，一方面可根 据收集的信息，通过GPIO对系统内其他模块进行上下电控 制和复位操作，另一方面将收集的状态信息通过以太网上报 至上层终端，从而实现系统级的管理。
2018年第8期蓓e与电胭China Computer&Communication狹件开式与雇用3软件设计40G以太网交换模块二层交换功能具有全双工交换功能，在此基础上，交换模块还支持STP、端口管理、VLAN、组播、端口镜像、广播风暴抑制、端口速率控制与Trank功能[2]。
配置管理包括CLI、Telnet、SNMP、自检四个功能，主 要为用户提供了管理交换模块的接口以及自检等功能。
用户可通过Telnet方式连接上交换模块对它的各个功能参数进行 配置管理等工作。
以太网交换模块支持SNMP V2协议，对 用户提供SNMP Agent服务，交换模块会根据收到的SNMP 命令进行相关的设置以及信息的反馈。
以太网交换模块的自 检分为加电自检、周期自检、维护自检，开机自检是设备启动时，对处理器、内存、Flash以及交换控制器进行检测；周 期自检是以太网交换模块周期性地对处理器和交换控制器、内存、Flash进行检测，并且将检测的信息通过故障上报模块 上报给操控台；维护自检是用户可以根据自己的需要，对处理器和交换控制器、内存、Flash进行检测，检测信息将通过 故障上报模块上报给操控台。
采用的是龙芯2H国产CHJ,底层驱动及PMON的主要 功能是系统加电后初始化目标机硬件、初始化操作系统及提 供硬件的驱动程序支持，主要功能包括初始化CPU的内部寄 存器；初始化交换控制芯片控制芯片的寄存器、PHY芯片寄 存器以及I/O设备寄存器，为整个软件系统提供底层硬件环 境的支持；初始化交换模块的系统资源，为系统的正常运行做准备。
