采用PCI總線與FPGA實(shí)現(xiàn)刀片服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新一代機(jī)架式服務(wù)器Blade Server（刀片服務(wù)器），應(yīng)用iSCSI協(xié)議，通過TCP/IP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，利用Intemet,可將SCSI數(shù)據(jù)包傳到地球上的任何地方。

著眼于刀片服務(wù)器的內(nèi)部構(gòu)架和整體方案的介紹，主要論述了基于FPGA的刀片與主板之間PCI數(shù)據(jù)交換的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 刀片服務(wù)器系統(tǒng)構(gòu)架

刀片服務(wù)器是一種HAHD（High Availability High Density,高可用高密度）的低成本服務(wù)器平臺(tái)，是專門為特殊應(yīng)用行業(yè)和高密度計(jì)算機(jī)環(huán)境設(shè)計(jì)的。每一塊刀片均由"系統(tǒng)服務(wù)器主板+控制板"組成，可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)Windows NT/2000、Linux、Solaris等操作系統(tǒng)。類似于獨(dú)立的服務(wù)器，每塊刀片可以沒有獨(dú)立硬盤來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是多個(gè)刀片共享一個(gè)Raid磁盤陣列。在該模式下，每個(gè)刀片運(yùn)行自己的系統(tǒng)，服務(wù)于用戶指定的不同用戶群，相互之間沒有關(guān)聯(lián)，不過也可以通過系統(tǒng)軟件將這些刀片集合成一個(gè)服務(wù)器集群，在集群模式下，所有的刀片連接起來提供高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)資源共享，為相同的用戶群服務(wù)。用戶若需提高整體性能，只需在集群中插入新的刀片即可。刀片可熱插拔，替換便捷，且維護(hù)時(shí)間減到最小。

機(jī)架中的服務(wù)器（刀片）可以通過智能KVM轉(zhuǎn)換板共享一套鍵盤、顯示器和鼠標(biāo)，以訪問多臺(tái)服務(wù)器（刀片），從而便于進(jìn)行升級(jí)、維護(hù)和訪問服務(wù)器上的文件。單個(gè)刀片通過PCI總線連接至主板，刀片中據(jù)的傳輸和交換，均通過該通道進(jìn)行，刀片的實(shí)際組成如圖1所示。

圖1 刀片組成示意圖

刀片在單機(jī)架系統(tǒng)中的位置如圖2所示。

圖2 刀片系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在單機(jī)架系統(tǒng)中，用戶交換機(jī)與Blade通過RJ45的千兆網(wǎng)接口進(jìn)行連接，用戶經(jīng)用戶交換機(jī)接入Blade服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以在全球任何地方，由Intemet接入到用戶交換機(jī)。集中控制單元具有網(wǎng)絡(luò)端口等PC常用輸出端口；分散控制單元（DMU）通過CompactPCI與Blade進(jìn)行通信；通過232串口與集中控制中心（SMU）進(jìn)行通信。DMU和SMU共同完成KVM的切換和采集Blade狀態(tài)功能。

由于每個(gè)Blade沒有單獨(dú)的硬盤，所有Blade的啟動(dòng)都是通過目標(biāo)服務(wù)器遠(yuǎn)程啟動(dòng)，并完成配置以及啟動(dòng)Raid中預(yù)裝的操作系統(tǒng)，同時(shí)通過DHCPD（動(dòng)態(tài)分配IP地址）、ADSS、iSCSI為每個(gè)Blade分配使用Raid磁盤陣列空間。也即每個(gè)Blade都是通過網(wǎng)絡(luò)接口啟動(dòng)系統(tǒng)，所以網(wǎng)絡(luò)配置要先于操作系統(tǒng)引導(dǎo)前完成初始化和驅(qū)動(dòng)裝載。

2 PCI局部總線概述

PCI總線是一種不依附于某個(gè)具體處理器的局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級(jí)總線，具體由一個(gè)橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號(hào)緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時(shí)鐘頻率下保持高性能。PCI總線也支持總線主控技術(shù)，允許智能設(shè)備在需要時(shí)取得總線控制權(quán)，以加速數(shù)據(jù)傳送。

通用PCI2.2接口信號(hào)如圖3所示。在圖3左半部分為必要信號(hào)，任選信號(hào)列于右邊。其中信號(hào)名稱右邊加一個(gè)"#"符號(hào)表示是低電平有效，未加"#"符號(hào)的是高電平有效。根據(jù)信號(hào)的功能劃分，可分為系統(tǒng)信號(hào)組、地址數(shù)據(jù)組、接口控制組、仲裁管理組、錯(cuò)誤測試組、中斷功能組、Cache支持組以及其他功能組。

圖3 PCI局部總線引腳圖

3 基于FPGA的PCI數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)

通常PC都是采用本地硬盤來引導(dǎo)操作系統(tǒng)，完成設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，Blade則通過網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)系統(tǒng)，所以網(wǎng)絡(luò)配置要先于操作系統(tǒng)引導(dǎo)，并完成初始化和驅(qū)動(dòng)裝載。為了解決這個(gè)難點(diǎn)，我們采用"PCI+FPGA+Flash"結(jié)構(gòu)，在Flash中燒錄雙端口千兆網(wǎng)卡PCI設(shè)備的初始化和驅(qū)動(dòng)裝載程序，由CPU在系統(tǒng)上電時(shí)加載Flash中的程序到系統(tǒng)內(nèi)存。由于數(shù)據(jù)傳輸是PCI總線，而Flash是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)總線，這就存在數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換的問題，問題解決的方案是通過FPGA完成PCI設(shè)備與Flash之間的通信，下面將詳細(xì)介紹如何利用FPGA來完成PCI接口和Flash之間的通信。

3.1 FPGA系統(tǒng)邏輯與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PCI2.2從設(shè)備設(shè)計(jì)思想，PCI主設(shè)備為PCI橋芯片，用FPGA來完成PCI從設(shè)備功能，終端為Flash芯片。在FPGA系統(tǒng)中，PCI總線接口部分的設(shè)計(jì)參數(shù)為：PCI時(shí)鐘為33 MHz（CLK），32位I/O接口（AD[310]），終端接口可以提供20位或32位數(shù)據(jù)線。PCI主設(shè)備與終端Flash間的通信采用PCI從設(shè)備（FPGA）來實(shí)現(xiàn)的。在FPGA的邏輯設(shè)計(jì)中，終端是兼有Memory空間和I/O空間的抽象設(shè)備，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中終端Flash,只有對應(yīng)的Memory空間。

根據(jù)FPGA的模塊設(shè)計(jì)思想，采用Verilog語言將整個(gè)系統(tǒng)按功能進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊的輸出可以為其他功能模塊提供輸入，各模塊功能和設(shè)計(jì)思想如下：

"PCI頂層模塊"是系統(tǒng)頂層模塊，完成系統(tǒng)端口各使能開關(guān)的定義和調(diào)用其他5個(gè)功能模塊。

"配置模塊"完成PCI從設(shè)備配置寄存器的設(shè)置。

"基址模塊"實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：1）配置I/O空間和存儲(chǔ)空間（memory空間）的基地址；2）告知PCI從設(shè)備狀態(tài)機(jī)（The State Machine）。

"狀態(tài)機(jī)模塊"是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，控制PCI主設(shè)備到終端的所有數(shù)據(jù)傳輸。在PCI地址傳送階段，通過采樣C/BE[30]和IDSEL來決定是配置讀寫、存儲(chǔ)空間讀寫還是I/O空間讀寫。

"校驗(yàn)?zāi)K"對AD[310]和C/BE[30]#信號(hào)作奇偶校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的有效性。

"重入模塊"若PCI從設(shè)備進(jìn)行一個(gè)讀寫操作，則必須在6個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)（定義PCI從設(shè)備為slow=10 b,慢速設(shè)備）使能DEVSEL.若PCI從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送（已經(jīng)使能DEVSEL），終端在9個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)沒有使能READY#,則將告知："The State Machine模塊",終端暫時(shí)中止當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳送，直到傳送條件滿足后，才重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。

3.2 FPGA系統(tǒng)邏輯功能仿真與結(jié)論

完成了各功能模塊程序的編輯和編譯過程，即可采用xilinx ISE11.2自帶的HDL Bencher來生成測試激勵(lì)文件，而后就可以調(diào)用Model Sim進(jìn)行仿真了，該仿真也叫前仿真（邏輯功能仿真），布線后的仿真稱為后仿真，也叫延時(shí)仿真，布線后的仿真包含門延時(shí)和線延時(shí)。

下面給出memory寫操作功能仿真的詳細(xì)步驟，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

I/O、memory空間讀寫過程非常相似，現(xiàn)對memory空間猝發(fā)方式寫操作進(jìn)行詳細(xì)的說明。在圖4中，通過測試文件生成pci_rst#=1,不產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，地址節(jié)拍pci_ad=0x2000_0000,表示PCI主設(shè)備從系統(tǒng)地址0x2000_0000地址開始寫到終端0x00000地址開始的數(shù)據(jù)空間，可在"PCI頂層模塊"定義（bkend_ad[190]=pci_ad[190]），終端只取系統(tǒng)地址的低20位地址。pci_cbe#[30]=0111,表示是memory空間寫操作，在idle狀態(tài)pci_frame#使能，irdy#、devsel#、stop#先不使能，PCI主設(shè)備將地址送到終端地址線上，data_stop#=1,表示終端支持猝發(fā)方式數(shù)據(jù)寫操作。在下個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入到rw_wait狀態(tài)，base_regionl#（memory片選）使能，告訴終端準(zhǔn)備執(zhí)行memory寫操作，同時(shí)打開I/O、memory空間寫操作使能。在下個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入到rw_wait2狀態(tài)，如果終端使能ready#,表示終端準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)，使能devsel#、tr dy#、date_write#,其中date_write#使能，是讓終端產(chǎn)生寫使能信號(hào)。irdy#、trdy#使能。表示PCI主設(shè)備和終端數(shù)據(jù)可以有效傳輸，通過測試文件在PCI主設(shè)備的對應(yīng)地址（0x2000_0000）下產(chǎn)生數(shù)據(jù)cdef0000,在該狀態(tài)，寫入終端第一個(gè)數(shù)據(jù)cdef0000.在下個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入到rw狀態(tài)，如果在該狀態(tài)下pci_frame#=0還使能，表示PCI主設(shè)備想支持猝發(fā)寫，繼續(xù)使能devsel#、trdy#信號(hào)，stop#不能使能，因?yàn)镻CI主設(shè)備準(zhǔn)備猝發(fā)寫操作，在該狀態(tài)下，只要pci_frame#=0（使能），循環(huán)寫入數(shù)據(jù)cdef0001、cdef0002、cdef0003、cdef0004,上文已經(jīng)介紹，下一個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)的地址自動(dòng)加一，地址都是線性增加的。圖4中，PCI主設(shè)備準(zhǔn)備發(fā)送cdef0005數(shù)據(jù)時(shí)，irdy#=1（不使能），表示PCI主設(shè)備正在取數(shù)據(jù)，data_write#（終端寫使能）不使能，告訴終端等待PCI主設(shè)備取數(shù)據(jù)，插入等待周期。在下個(gè)時(shí)鐘周期，irdy#重新使能，date_wri te#也重新使能，繼續(xù)寫數(shù)據(jù)cdef0005,這樣可以一直寫數(shù)據(jù)。pci_frame#=1,表示進(jìn)入最后一個(gè)周期的寫數(shù)據(jù)操作，關(guān)閉irdy#、devsel#、base_regionl#使能。在下個(gè)時(shí)鐘周期，進(jìn)入到backoff狀態(tài)，在下個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)入到idel狀態(tài)，一個(gè)完整的memory猝發(fā)寫就完成了。

圖4 memory寫操作功能仿真

完成功能仿真（前仿真）后和后仿真（布線后仿真）后，可使用ISE11.2自帶的下載配置工具進(jìn)行下載，至此FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)全部完成，接著可對整個(gè)FPGA芯片進(jìn)行硬件部分的測試工作。

可采用Xilinx的ISE自帶的ChipScope Pro（在線邏輯分析儀），添加測試激勵(lì)，可以看到數(shù)據(jù)的讀寫都是滿足要求，具體跟上面的仿真波形相似，只是包含延時(shí)信息，門延時(shí)和線延時(shí)控制在0.5個(gè)時(shí)鐘單元（15ns），符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

刀片式服務(wù)器在軍用控制和計(jì)算中心等計(jì)算密集型應(yīng)用中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。隨著InfiniBand技術(shù)開始扮演重要角色，刀片服務(wù)器將逐漸成為主流服務(wù)器。