基于嵌入式和FPGA的光纖通道接口控制芯片的設(shè)計(jì)

作為通道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，光纖通道(fibre channel)是一種具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高帶寬，高性價(jià)比的開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)。任何需要接入到光纖通道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NAC)，而網(wǎng)絡(luò)接口卡的核心是接口控制芯片。目前市場(chǎng)上商用的光纖通道接口控制芯片寥寥可數(shù)且價(jià)格昂貴，并且核心技術(shù)都掌握在國(guó)外公司；而軍用的光纖通道接口控制芯片更由于眾所周知的原因在市場(chǎng)上根本就買不到。因此，根據(jù)光纖通道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片，對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展具有極其重要的意義。

由于光纖通道標(biāo)準(zhǔn)是一簇十分龐大而復(fù)雜的協(xié)議，不同的特性適用于不同的應(yīng)用環(huán)境；又因?yàn)楣饫w通道標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于發(fā)展階段，標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容還在做不停的變化，因此選用FPGA作為當(dāng)前接口控制芯片的載體是一個(gè)非常合適的選擇。一方面對(duì)于不同的應(yīng)用環(huán)境，可以對(duì)相應(yīng)的功能模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，既能滿足應(yīng)用需要又能降低成本；另一方面對(duì)于協(xié)議的變化，基于FPGA的實(shí)現(xiàn)也很容易就能對(duì)老版本設(shè)計(jì)進(jìn)行更新。

1 協(xié)議分析

和OSI參考模型類似，光纖通道協(xié)議簇也是以分層的方式來(lái)組織各個(gè)協(xié)議的。其分層模型如圖1所示。

作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，光纖通道支持許多上層協(xié)議，包括VIA、SCSI、IPv4、IPv6、SBCCS、ASM等。在為這些協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)之前，需要先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)映射成規(guī)定的格式，F(xiàn)C-4層實(shí)現(xiàn)這一映射，對(duì)于每一個(gè)支持的上層協(xié)議，都有一個(gè)映射協(xié)議與之相對(duì)應(yīng)。

FC-3層是一個(gè)通用服務(wù)層，為映射層協(xié)議提供一系列通用服務(wù)。比較重要的幾個(gè)服務(wù)包括：交換注冊(cè)、端口注冊(cè)和注銷服務(wù)。

FC-2層是光纖通道協(xié)議中最重要的一層，定義了將數(shù)據(jù)塊進(jìn)行端到端傳輸?shù)囊?guī)則和機(jī)制，包括不同類型的服務(wù)、幀格式定義、序列的分片和重裝、交換管理、地址分配和多播管理等。

FC-1層定義了串行編碼和解碼規(guī)范，規(guī)定使用8B／10B編碼。

FC-0層是光纖通道協(xié)議的物理層規(guī)范，定義了發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、傳輸介質(zhì)以及它們之間的接口規(guī)范。傳輸速率也在這里定義。

2 設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)協(xié)議的分析得出，映射層協(xié)議和具體應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，應(yīng)該由用戶自己實(shí)現(xiàn)。接口控制芯片在邏輯上可以分成三部分，即通用服務(wù)模塊、端到端IU傳輸和緩沖到緩沖幀傳輸；在實(shí)現(xiàn)方式上又可以分為軟件部分和硬件部分。接口控制芯片系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2左邊的PowerPC和存儲(chǔ)器控制器通過(guò)PLB總線互聯(lián)在一起，構(gòu)建了Linux操作系統(tǒng)和接口控制芯片的軟件部分的運(yùn)行平臺(tái)。

PowerPC架構(gòu)中還包含了通用的OPB總線，用來(lái)進(jìn)行外部設(shè)備的互聯(lián)。OPB總線通過(guò)一個(gè)PLB-OPB橋連接到PLB總線，如圖2右邊所示。連接到OPB總線的外部設(shè)備只有一個(gè)，也就是光纖通道傳輸核。

用戶接口定義了接口控制芯片的用戶接口。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，這個(gè)模塊有不同的實(shí)現(xiàn)方法，如PCI或USB。

當(dāng)用戶有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，通過(guò)接口控制芯片的用戶接口將數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)格式存人芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器請(qǐng)求接口控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。然后，軟件代碼將數(shù)據(jù)接管過(guò)來(lái)，先為這次數(shù)據(jù)(IU)傳輸分配相應(yīng)的軟件資源(交換狀態(tài)塊、序列狀態(tài)塊等)用以記錄數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)。等完成相應(yīng)的處理后，PowerPC通過(guò)光纖通道傳輸核提供的接口通知傳輸核對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括分片、成幀、CRC計(jì)算和8B／10B編碼等任務(wù)。最后，傳輸核通過(guò)輸出引腳輸出高速串行數(shù)據(jù)去調(diào)制光發(fā)射機(jī)并發(fā)送到光纖鏈路。

當(dāng)從輸入鏈路上接收到數(shù)據(jù)時(shí)，傳輸核首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括位同步、串并轉(zhuǎn)換、8B／10B解碼、字同步、有序集檢測(cè)、CRC校驗(yàn)和幀提取。當(dāng)有效幀接收到并存到接收緩沖區(qū)后，硬件模塊設(shè)置相應(yīng)的寄存器通知Power-PC，然后PowerPC對(duì)接收到的幀進(jìn)行處理，包括分配相應(yīng)的軟件資源、幀重裝。當(dāng)屬于一個(gè)序列的所有幀都正確接收完后，PowerPC通過(guò)用戶接口模塊通知用戶模塊，用戶模塊接收到數(shù)據(jù)后自行進(jìn)行處理。

3 硬件設(shè)計(jì)

接口控制芯片的硬件部分也就是圖2中的光纖通道傳輸核，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)芥溌妨硪欢说慕邮站彌_區(qū)。為了正確有效地完成這個(gè)任務(wù)，接口控制芯片的硬件部分實(shí)現(xiàn)以下一些功能：緩沖到緩沖的流量控制、鏈路級(jí)別的差錯(cuò)檢測(cè)和恢復(fù)、字同步、有序集檢測(cè)、幀提取、8B／10B編解碼和串并／并串轉(zhuǎn)換等功能。接口控制芯片的硬件部分功能框圖如圖3所示。

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