采用片上系統(tǒng)技術(shù)來設(shè)計FC協(xié)議芯片的方案解析

引言

光纖通道(FC)是一個高性能的雙向點對點串行數(shù)據(jù)通道。光纖通道的標準是由T11標準委員會(美國國家信息技術(shù)標準化委員會下屬的技術(shù)委員會)制定的，它是一個為適應(yīng)日益增長的高性能信息傳輸要求而設(shè)計的計算機通訊協(xié)議。FC集中了IO通道和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，它既支持IO通道所要求的帶寬與可靠性，又支持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的靈活性與連接能力，使得在同一物理接口上運行當(dāng)今流行的通道標準和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議成為可能。目前，F(xiàn)C已被作為未來航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的一種主要聯(lián)網(wǎng)標準。本文討論了一種采用片上系統(tǒng)(SOC)技術(shù)來設(shè)計FC協(xié)議芯片的方案，分析了SOC設(shè)計方法的特點及其與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計方法的不同點，為今后在航電系統(tǒng)的設(shè)計中推廣使用SOC技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

FC工作原理簡介

光纖通道所支持的物理介質(zhì)包括光纖、雙絞線、同軸電纜等，本文統(tǒng)稱其為光纖。物理上，F(xiàn)C可被看成是稱為N端口的多個通信點的連接，這些N端口可以通過交換網(wǎng)進行連接，且通過集線器構(gòu)成仲裁環(huán)路，也可以通過點對點的鏈路進行連接。如圖1所示，F(xiàn)C協(xié)議可以分成一系列的功能層次，各功能層次簡述如下。

FC-0層

FC-0定義了接口和介質(zhì)的物理特性，規(guī)定了收發(fā)器和各種物理媒介的光電參數(shù)。按照實現(xiàn)器件的不同，F(xiàn)C可具有不同的數(shù)據(jù)傳輸率：133Mbit/s，266Mbit/s，530Mbit/s，1.0625Gbit/s等。

FC-1層

FC-1定義了編解碼和傳輸協(xié)議，它采用直流平衡8b/10b碼。一個8位字節(jié)編碼為10位進行傳輸，然后在接收端再進行解碼。一部分具有特殊特性的沒有使用的編碼點被用來組成特殊字符，以形成信令和幀描述的有序集。

FC-2層

FC-2層是信號傳輸協(xié)議層。它規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則，提供了數(shù)據(jù)塊從一個端口傳輸?shù)较乱粋€端口的傳輸機制，定義了可由FC-4使用的功能和設(shè)備，F(xiàn)C-4可以只采用其中的一個子集。這一層描述了如下概念：

(1)節(jié)點和N端口及相應(yīng)的標識符;

(2)通訊模型;

(3)拓撲結(jié)構(gòu);

(4)服務(wù)類;

(5)通用交換網(wǎng)模型;

(6)FC-2的構(gòu)造塊及體系結(jié)構(gòu);

(7)幀格式;

(8)序列;

(9)交換。

FC-3層

FC-3層為一些高級特性提供了所需要的通用服務(wù)，例如：

(1)分類：并行使用若干個N端口來增加帶寬，以便通過多重連接傳輸一個單一信息。

(2)查詢組：使數(shù)量多于一個的端口能響應(yīng)相同的別名地址。這一服務(wù)通過減少接觸到忙N端口的機會來提高效率。

(3)多播：將一個傳輸發(fā)送到多個目標端口，包括發(fā)送到一個交換網(wǎng)上的所有N端口(廣播)，或只發(fā)送到交換網(wǎng)上某些N端口。

FC-4層

FC- 4層是FC協(xié)議的最高層，它規(guī)定了上層協(xié)議到FC協(xié)議的映射。當(dāng)前映射的協(xié)議有：小型計算機系統(tǒng)接口(SCSI)、智能外設(shè)接口3(IPI-3)、高性能并行接口(HIPPI)、INTERNET協(xié)議(IP)、IEEE802.2、單字節(jié)命令碼集映射(SBCCS)。另外，F(xiàn)C-AE還描述了一個基于 1553B的上層協(xié)議映射。

FC-PH的物理模型

FC通路在物理上至少由2個節(jié)點組成。每個節(jié)點可以由多個N端口組成，每個N端口提供FC-0、FC-1、FC-2的功能。FC-3是可選的，它為多個N端口和FC-4提供通用服務(wù)。

每個端口由一對光纖組成，一個用于輸入，一個用于輸出。這一對按相反方向傳輸?shù)墓饫w和收發(fā)器組成FC鏈路，完成數(shù)據(jù)傳輸。

FC-2層的幀格式

幀起始定界符SOF是一個有序集，4個8b字符，根據(jù)不同幀的類型有不同的碼字;幀頭，24個8b字符，詳見表1;數(shù)據(jù)字段，0–2112個8b字符;CRC，4個8b字符，它對幀頭部分和數(shù)據(jù)字段部分進行校驗，其編碼多項式是X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1;幀結(jié)束定界符EOF是一個有序集，4個8b字符，根據(jù)不同幀的類型有不同的碼字。

FC協(xié)議芯片的設(shè)計概述

功能概述

FC芯片的功能是實現(xiàn)圖1中的FC-PH，即FC-2、FC-1、FC-0層的協(xié)議;每個FC芯片支持2個N端口，可構(gòu)成如圖2所示的FC節(jié)點;支持的數(shù)據(jù)傳輸率為1.0625Gbits/s。

基于SoC的設(shè)計考慮

基于SoC的芯片設(shè)計和嵌入式模塊板的設(shè)計有相似之處，但不能把SoC設(shè)計簡單地理解為對嵌入式模塊板的小型化，它們的主要區(qū)別如下：

(1)嵌入式模塊板的設(shè)計是使用現(xiàn)有的CPU芯片和外設(shè)芯片來實現(xiàn)的，而SoC設(shè)計是由CPU內(nèi)核與各種功能模塊內(nèi)核實現(xiàn)的。

(2)由上文可知，嵌入式模塊板的設(shè)計是在已經(jīng)設(shè)定的規(guī)則框架中進行的，這些規(guī)則就是各種芯片的使用手冊，而SoC設(shè)計可以根據(jù)設(shè)計需求，自行設(shè)計規(guī)則，再設(shè)計各種功能模塊內(nèi)核，以滿足功能要求并使得資源利用最優(yōu)化。

(3)嵌入式模塊板的設(shè)計，由于受到CPU芯片引腳的限制，外設(shè)芯片大多掛在CPU的一條外部總線上，難免會有總線爭用，而SoC設(shè)計原則上芯片內(nèi)部可以并行工作的總線個數(shù)沒有限制，應(yīng)充分利用這個特性，合理確定體系結(jié)構(gòu)，避免總線爭用。

(4)嵌入式模塊板的設(shè)計，其軟硬件的設(shè)計都有固定的模式，而SOC設(shè)計先要根據(jù)設(shè)計需求，確定軟硬件的交會點，確定軟硬件協(xié)同的規(guī)則，才能達到資源利用最優(yōu)化的目的。

首先，要確定軟硬件的交會點。軟硬件的交會點放在FC-2層的“序列”上。因為“序列”負責(zé)整塊數(shù)據(jù)的收或發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)塊的長度超過圖3所示的數(shù)據(jù)長度時，要分為若干個相關(guān)的數(shù)據(jù)幀來傳輸。數(shù)據(jù)幀的相關(guān)性表現(xiàn)在如表1所示的幀頭中，只有序列計數(shù)字段SEQ_CNT發(fā)生改變。因此，軟件將負責(zé)提供幀頭的部分信息和數(shù)據(jù)，由硬件負責(zé)數(shù)據(jù)成幀和以后的工作。其次，在設(shè)計芯片的體系結(jié)構(gòu)時，要充分使用芯片內(nèi)部的并行工作的總線。最后，為便于本芯片的測試，對上層接口 ULP，先考慮使用PCI總線，以便實現(xiàn)基于PCI接口的FC網(wǎng)卡。根據(jù)今后實際使用需求，ULP將按需設(shè)計。

芯片的結(jié)構(gòu)

根據(jù)3.2節(jié)的討論。FC協(xié)議芯片對上層的接口(ULP)采用PCI接口，由芯片內(nèi)置的PCI-TARGET內(nèi)核實現(xiàn)。

虛線方框部分構(gòu)成了FC的N端口，整個芯片中有2個N端口。每個FC-N端口由“FC收發(fā)通道”和“FC幀收發(fā)控制器”2層構(gòu)成。“FC收發(fā)通道”與光電接口模塊配合可實現(xiàn)FC-0層、FC-1層和FC-2層中數(shù)據(jù)幀收發(fā)的功能。該層為上層接口提供用于數(shù)據(jù)幀收發(fā)的片內(nèi)FIFO通道。“FC幀收發(fā)控制器”實現(xiàn)FC-2層的數(shù)據(jù)幀打包、開包和檢錯。另外，通過芯片內(nèi)嵌的軟件模塊實現(xiàn)FC-2層的序列和交換協(xié)議;同時提供ULP接口。下文對FC通道、幀收發(fā)控制器、CPU內(nèi)核及ULP 接口作分別討論。

FC收發(fā)通道模塊的設(shè)計

功能概述

該模塊主要完成FC-2層幀的收發(fā)，包括：完成SERDES(串-并互相轉(zhuǎn)換模塊)與光電接口的連接、完成FC-1層的8b/10b編解碼、FC-2層幀級的CRC校驗和FC有序集碼的譯碼;同時利用內(nèi)置存儲器構(gòu)成FIFO與FC芯片后端模塊進行數(shù)據(jù)交換的緩沖區(qū)。

組成結(jié)構(gòu)

該模塊分為“FC發(fā)送通道”和“FC接收通道”。在收發(fā)通道之間提供多種自環(huán)測試的通路(未在圖中標出)。

“FC發(fā)送通道”主要由以下單元組成：

(1)并-串轉(zhuǎn)化單元;

(2)發(fā)送時鐘鎖相環(huán);

(3)8b/10b編碼單元;

(4)CRC校驗生成單元;

(5)TX-FIFO發(fā)送控制單元;

(6)TX-FIFO數(shù)據(jù)輸入緩沖單元;

(7)自環(huán)控制單元。

“FC接收通道”主要由以下單元組成：

(1)串-并轉(zhuǎn)化單元;

(2)接收時鐘鎖相環(huán);

(3)時鐘恢復(fù)單元;

(4)同步檢測單元;

(5)有序集譯碼單元;

(6)8b/10b解碼單元;

(7)CRC校驗單元;

(8)RX-FIFO發(fā)送控制單元;

(9)RX-FIFO數(shù)據(jù)輸出緩沖單元;

(10)自環(huán)控制單元。

數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖區(qū)的定義

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)TX-FIFO、RX-FIFO的定義如表2所示：途中發(fā)送緩沖區(qū)是33位，低32位是發(fā)送的數(shù)據(jù)，第32位用于表示當(dāng)前碼字是否為有序集碼。接收緩沖區(qū)是36位，低32位是接收到的數(shù)據(jù)，高位部分保存FC-2幀的CRC校驗結(jié)果、8b/10b碼的譯碼校驗等信息。

5.1 功能概述

FC芯片中有兩路“FC幀收發(fā)模塊及其數(shù)據(jù)緩沖器”，它們實現(xiàn)FC-2層協(xié)議中的幀打包、開包。它是整個系統(tǒng)的軟硬件交會點，是整個系統(tǒng)的核心，其關(guān)鍵在于制定相關(guān)的設(shè)計規(guī)則。

5.2 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的使用規(guī)則

根據(jù)多路總線并行工作的原則，設(shè)置四塊獨立的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用雙口RAM，用于在CPU和幀收發(fā)器之間交換數(shù)據(jù)。收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的使用規(guī)則如下：

(1)發(fā)送緩沖區(qū)TXBUF。根據(jù)圖3所示的FC-2幀格式，該緩沖區(qū)用于存放幀頭和有效數(shù)據(jù)。前24個字節(jié)是固定存放幀頭的幀頭區(qū)，后面是有效數(shù)據(jù)區(qū)。發(fā)送時，模塊TXF-CTL從幀頭區(qū)取幀頭信息發(fā)送，根據(jù)寄存器中發(fā)送起始地址(TXOFFSET)和發(fā)送個數(shù)(TXCOUNT)的值從TXBUF中連續(xù)取數(shù)據(jù)發(fā)送。這里，只設(shè)置1個幀頭區(qū)，是考慮到在“序列”中幀頭具有相關(guān)性，同時1個幀頭區(qū)不存在多個區(qū)域的切換，簡化了硬件實現(xiàn)。

(2)接收緩沖區(qū) RXBUF。該緩沖區(qū)采用循環(huán)隊列的方式，由模塊RXF-CTL順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲順序如圖3所示的FC-2幀格式。在完成1幀數(shù)據(jù)接收后，模塊 RXF-CTL要在寄存器中表明當(dāng)前幀在RXBUF中的接收起始地址(RXOFFSET)和接收到的個數(shù)(RXCOUNT)。CPU讀取寄存器 RXCOUNT后，該寄存器自動清零。上述使用規(guī)則是整個系統(tǒng)進行SoC設(shè)計的要點。

工作過程

數(shù)據(jù)的發(fā)送過程發(fā)送：

(1)CMD_RESET。模塊TXF-CTL復(fù)位，進入空閑態(tài)。

(2)CMD_TEST：由CPU直接控制數(shù)據(jù)的發(fā)送，模塊TXF-CTL進入空閑態(tài)。

(3)CMD_START_TX1：在空閑態(tài)并且CMD_TEST和CMD_START_TX2都無效時，進入按幀發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，模塊TXF-CTL發(fā)出SENDING信號。模塊TXF- CTL先向FC發(fā)送通道的TX-FIFO發(fā)送有序集碼lDLE(K28.5D21.4D21.5D21.5);根據(jù)SOF碼型寄存器發(fā)送相應(yīng)的SOF;然后從TXBUF的幀頭區(qū)取數(shù)據(jù)依次發(fā)送;以后，如果數(shù)據(jù)從TXBUF取，則根據(jù)寄存器發(fā)送起始地址(TXOFFSET)和發(fā)送個數(shù)(TXCOUNT)從 TXBUF中取出對應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送;發(fā)送完有效數(shù)據(jù)后，再根據(jù)EOF碼型寄存器發(fā)送相應(yīng)的EOF;最后再發(fā)一個有序集碼 IDLE(K28.5D21.4D21.5D21.5)。一幀數(shù)據(jù)發(fā)完后，將SENDING信號清零，CMD_START_TX1清零，發(fā)中斷信號 INTTXi，然后回到空閑態(tài)。發(fā)送過程只有CMD_RESET可以中斷。

(4)如果數(shù)據(jù)來在ULP-FIFO，則讀發(fā)送個數(shù)(TXCOUNT)，從ULP-FIFO中取數(shù)發(fā)送，若發(fā)送個數(shù)(TXCOUNT)大于FC-2幀規(guī)定的長度，則按2112字節(jié)的長度分多幀發(fā)送，每幀完畢，自動修改幀頭中的幀記數(shù)值，并且自動選擇相應(yīng)的SOF和EOF定界符;若發(fā)送的過程中ULP-FIFO空，則自動結(jié)束這一幀的發(fā)送，并啟動超時定時器，等待ULP-FIFO中的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送個數(shù)(TXCOUNT)規(guī)定的數(shù)據(jù)發(fā)完后，或者超時，則將SENDING信號清零，CMD_START_TX1 清零，發(fā)中斷信號INTTXi，然后回到空閑態(tài)。發(fā)送過程只有CMD_RESET可以中斷。

(5)CMD_START_TX2：在空閑態(tài)當(dāng)CMD_START_TX2有效時，模塊TXF-CTL按有序

集碼寄存器和有序集碼參數(shù)寄存器的定義發(fā)送有序集碼。

數(shù)據(jù)的接收過程

數(shù)據(jù)的接收有兩種方式：由CPU直接控制;由RXF-CTL按FC-2幀格式接收數(shù)據(jù)。CPU可通過FC-2幀收發(fā)控制器的寄存器向模塊RXF-CTL發(fā)命令來控制數(shù)據(jù)發(fā)送：

(1)CMD_RESET。模塊TXF-CTL復(fù)位，進入空閑態(tài)。

(2)CMD_TEST：由CPU直接控制數(shù)據(jù)的接收。

(3)CMD_START_RXi：在空閑態(tài)并且CMD_TEST無效時，進入按幀接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。模塊RXF-CTL從FCSET-A的RX-FIFO中收到有序集碼SOF后，發(fā)出 RECEIVE信號，表示已經(jīng)開始1幀數(shù)據(jù)的接收。模塊RXF-CTL將收到的數(shù)據(jù)依次寫入循環(huán)緩沖區(qū)RXBUF。再收到任一個有序集碼后，1幀數(shù)據(jù)接收結(jié)束，將RECEIVE信號清零。更新寄存器接收起始地址(RXOFFSET)和接收到的個數(shù)(RXCOUNT)。如果接收到的CRC碼無效或者最后一個有序集碼不是EOF，則將接收有錯(RXERR)置‘1’，否則發(fā)出INTRXi中斷信號，表示收到1幀正確的數(shù)據(jù)。繼續(xù)下一幀的數(shù)據(jù)的接收。在1幀數(shù)據(jù)接收的過程中，只有CMD_RESET可以中斷;如果尚未開始接收1幀數(shù)據(jù)，則CMD_TEST可使其回到空閑態(tài)。CPU讀寄存器RXOFFSET、 RXERR和RXCOUNT可知道接收到的數(shù)據(jù)存放的地址和個數(shù)以及數(shù)據(jù)幀是否有效。

另外CMD_START_Rxi還用來控制FC接收通道中的RX-FIFO控制器。CMD_START_Rx1控制FC接收通道按FC-2幀接收數(shù)據(jù)存入RX-FIFO;CMD_START_Rx2控制 FC接收通道接收所有數(shù)據(jù)(除了連續(xù)的IDLE有序集碼之外)存入RXFIFO。

內(nèi)置CPU的配置及ULP的設(shè)計

內(nèi)置CPU通過嵌入的軟件完成FC-2層的序列和交換的協(xié)議，同時實現(xiàn)ULP與上層的通訊。

CPU外設(shè)的配置

CPU配置的外設(shè)和總線接口定義如下：

(1)兩個RS232串行口。

(2)看門狗定時器：WATCHDOG-TIMER。

(3)兩個FC-2層通訊用的定時器：FCTIMER1，F(xiàn)C-TIMER2。

(4)接收兩路FC-2幀收發(fā)控制器中斷的PIO：INTFRAME-PIO。兩個接受來自RX-FIFO的有序集譯碼的PIO：ORDERSET- PIO1，ORDERSETPIO2。兩個內(nèi)總線接口，用于操作兩路FC-2幀收發(fā)控制器?？筛鶕?jù)操作功能需要，對FC-2幀收發(fā)控制器的各寄存器進行定義。

(5)四個獨立的連接收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)總線接口。

(6)三條獨立的存儲器總線接口：雙口RAM、程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。

(7)與ULP交換數(shù)據(jù)的ULP-RXFIFO接口。

(8)與ULP握手的ULP-PIO接口。

ULP的數(shù)據(jù)通道

如圖4所示，F(xiàn)C芯片對ULP提供了兩種數(shù)據(jù)通道：雙口RAM和FIFO。雙口RAM通道：可根據(jù)ULP的需要劃分成若干分區(qū)，ULP可通過PCI接口對它存取數(shù)據(jù)。FC芯片的內(nèi)置CPU從雙口RAM中讀數(shù)據(jù)，放到TXBUF中，然后啟動“幀發(fā)送模塊”打包發(fā)送;接收數(shù)據(jù)時，CPU從RXBUF中讀取數(shù)據(jù)，存到雙口RAM的相應(yīng)的數(shù)據(jù)分區(qū)中，通知ULP來取數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)通道對需要確認，出錯要重傳的消息比較有效。

FIFO通道：ULP將數(shù)據(jù)通過PCI接口寫到ULP-TXFIFO中，CPU設(shè)定“幀發(fā)送模塊”從ULP-TXFIFO中取數(shù)據(jù)，“幀發(fā)送模塊”在數(shù)據(jù)打包時，從ULP- TXFIFO中取數(shù)據(jù);接收數(shù)據(jù)時，CPU從RXBUF中讀取數(shù)據(jù)，存到ULP-RXFIFO。這種數(shù)據(jù)通道對視頻數(shù)據(jù)等實時性要求高的消息比較有效。

FC芯片嵌入軟件的基本操作函數(shù)

FC 芯片的嵌入軟件要完成FC-2層的交換、序列、幀收發(fā)、差錯控制、流量控制等功能。它們需要調(diào)用的基本操作函數(shù)如表3所列。這些基本操作函數(shù)是與硬件平臺相關(guān)的函數(shù)，在平臺上所作的其他函數(shù)將與硬件平臺無關(guān)。這樣，有利于軟硬件協(xié)同開發(fā)，互相隔離錯誤。這是SOC設(shè)計的又一個重要原則。

結(jié)論

目前，高端的FPGA中已內(nèi)嵌了適應(yīng)高速傳輸?shù)氖瞻l(fā)器、鎖相環(huán)和大量的存儲器，本文討論的FC協(xié)議芯片可以在這類FPGA上實現(xiàn)原型樣機。光纖通道以其傳輸速度高、兼容性好等特點在未來的航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中將得到廣泛的應(yīng)用，本文討論的FC協(xié)議芯片將為這一應(yīng)用奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。本文以FC協(xié)議芯片的設(shè)計為例，介紹了基于SoC設(shè)計的思考重點和SoC設(shè)計的基本原則，它將有助于在航電系統(tǒng)的設(shè)計中推廣使用SoC技術(shù)。