基于嵌入式和FPGA的光纖通道接口控制芯片的設(shè)計

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)是一種具有高實時性、高可靠性、高帶寬，高性價比的開放式網(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。目前市場上商用的光纖通道接口控制芯片寥寥可數(shù)且價格昂貴，并且核心技術(shù)都掌握在國外公司；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上根本就買不到。因此，根據(jù)光纖通道標準設(shè)計出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片，對于我國的經(jīng)濟和軍事發(fā)展具有極其重要的意義。

由于光纖通道標準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；又因為光纖通道標準目前仍處于發(fā)展階段，標準的內(nèi)容還在做不停的變化，因此選用FPGA作為當前接口控制芯片的載體是一個非常合適的選擇。一方面對于不同的應(yīng)用環(huán)境，可以對相應(yīng)的功能模塊進行適當?shù)牟脺p，既能滿足應(yīng)用需要又能降低成本；另一方面對于協(xié)議的變化，基于FPGA的實現(xiàn)也很容易就能對老版本設(shè)計進行更新。

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組織各個協(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層實現(xiàn)這一映射，對于每一個支持的上層協(xié)議，都有一個映射協(xié)議與之相對應(yīng)。

FC-3層是一個通用服務(wù)層，為映射層協(xié)議提供一系列通用服務(wù)。比較重要的幾個服務(wù)包括：交換注冊、端口注冊和注銷服務(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)塊進行端到端傳輸?shù)囊?guī)則和機制，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、接收機、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)計方案

通過對協(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和存儲器控制器通過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行平臺。

PowerPC架構(gòu)中還包含了通用的OPB總線，用來進行外部設(shè)備的互聯(lián)。OPB總線通過一個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，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，這個模塊有不同的實現(xiàn)方法，如PCI或USB。

當用戶有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，通過接口控制芯片的用戶接口將數(shù)據(jù)按標準格式存人芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器，并通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器請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)接管過來，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通過光纖通道傳輸核提供的接口通知傳輸核對數(shù)據(jù)進行處理，包括分片、成幀、CRC計算和8B／10B編碼等任務(wù)。最后，傳輸核通過輸出引腳輸出高速串行數(shù)據(jù)去調(diào)制光發(fā)射機并發(fā)送到光纖鏈路。

當從輸入鏈路上接收到數(shù)據(jù)時，傳輸核首先對數(shù)據(jù)進行處理，包括位同步、串并轉(zhuǎn)換、8B／10B解碼、字同步、有序集檢測、CRC校驗和幀提取。當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對接收到的幀進行處理，包括分配相應(yīng)的軟件資源、幀重裝。當屬于一個序列的所有幀都正確接收完后，PowerPC通過用戶接口模塊通知用戶模塊，用戶模塊接收到數(shù)據(jù)后自行進行處理。

3 硬件設(shè)計

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，負責將數(shù)據(jù)幀按標準規(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任務(wù)，接口控制芯片的硬件部分實現(xiàn)以下一些功能：緩沖到緩沖的流量控制、鏈路級別的差錯檢測和恢復(fù)、字同步、有序集檢測、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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