基于PowerPC的光纖通道接口卡設(shè)計

   摘要：介紹了模塊化光纖通道協(xié)議功能。采用新一代嵌入式處理器PowerPC440，搭建光纖通道接口卡的SOPC系統(tǒng)，實現(xiàn)了光纖通道協(xié)議的基本功能，為基于PowerPC的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用提供了參考。
關(guān)鍵詞：PowerPC440；光纖通道接口卡；可編程片上系統(tǒng)

引言
    現(xiàn)階段，主流的高性能光纖通道通用產(chǎn)品基本上被Qloglc、Morethan、DDC等少數(shù)幾家國外大公司壟斷，其昂貴的價格，加上一些發(fā)達國家對相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)的封鎖，使得國內(nèi)的光纖通道技術(shù)發(fā)展受到了一定程度的影響。因此，對自主知識產(chǎn)權(quán)的專用光纖通道芯片的研究就顯得尤為重要。
    目前，大多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)都采用ARM處理器或軟核處理器，而對于處理能力更強大的PowerPC處理器卻沒有更深入的研究和廣泛的應(yīng)用，對于 Xilinx公司的嵌入式處理器PowerPC440的應(yīng)用性研究也非常少見。本文基于PowerPC440硬核，對嵌入式技術(shù)在光纖通道網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進行了一些探索。

1 設(shè)計方案
    光纖通道協(xié)議(以下簡稱FC協(xié)議)支持多種拓撲結(jié)構(gòu)，但由于交換機價格昂貴，在實際應(yīng)用中還未普及。相對而言，簡單的點對點拓撲和性價比較高的仲裁環(huán)拓撲在現(xiàn)階段更為適用。本文即針對這兩種拓撲結(jié)構(gòu)，在深入分析FC協(xié)議的基礎(chǔ)上采用模塊化的思想對功能作了劃分，
如圖1所示。其中由虛線框標(biāo)識的序列／交換管理模塊由軟件實現(xiàn)。


    接收數(shù)據(jù)：
    ①接收通道從光接收機接收其輸出的串行信號，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換、8位／10位解碼、8：32解復(fù)用后，將沒有錯誤的字傳給接收控制模塊。
    ②接收控制模塊對接收通道接收的信息進行分流，將原語序列交給相應(yīng)的狀態(tài)機，將數(shù)據(jù)放入接收緩存后通知序列／交換管理模塊。
    ③交換管理邏輯將根據(jù)幀頭內(nèi)容和交換管理塊的內(nèi)容進行進一步的高層次的差錯檢驗和交換／序列管理，并且等序列接收完成后通知上層取數(shù)據(jù)。
    發(fā)送數(shù)據(jù)：
    ①當(dāng)上層需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先給光纖通道接口控制模塊發(fā)送命令。接口控制模塊根據(jù)命令的內(nèi)容取出數(shù)據(jù)，并結(jié)合命令參數(shù)將數(shù)據(jù)打包成幀后通知發(fā)送控制模塊。
    ②發(fā)送控制模塊根據(jù)一定的規(guī)則控制不同的數(shù)據(jù)源分時使用發(fā)送通道，數(shù)據(jù)源包括發(fā)送緩沖區(qū)的幀、狀態(tài)機發(fā)出的原語序列和原語信號。
    ③發(fā)送通道將從
    接收控制模塊接收到的字進行分解，再對并行的字節(jié)信息經(jīng)過8位／10位編碼、并串轉(zhuǎn)換發(fā)送給光發(fā)射機。
    其中環(huán)／端口控制模塊實現(xiàn)環(huán)初始化狀態(tài)機、環(huán)／端口狀態(tài)機、原有端口狀態(tài)機功能。根據(jù)原語信號和原語序列的不同，系統(tǒng)或進入原有端口狀態(tài)機進行點對點傳輸過程，或進入環(huán)端口狀態(tài)機進行仲裁環(huán)傳輸過程。
    從總體上看，硬件應(yīng)該負責(zé)幀級別的管理，軟件應(yīng)該負責(zé)序列和交換級別的管理。軟硬件接口采用共享存儲器與寄存器的設(shè)計思想。系統(tǒng)硬件部分與軟件部分通過讀寫共享的幀緩存及接口寄存器實現(xiàn)信息交互。

2 基于PowerPC的SOPC系統(tǒng)搭建
    本設(shè)計采用Xilinx公司的Virtex-5 FXT系列開發(fā)板為開發(fā)平臺。此開發(fā)板集成了兩個嵌入式PowerPC440RISC核，同時具有靈活的存儲器管理單元(MMU)，3個相互獨立的128位PLB總線接口，獨立的32 KB數(shù)據(jù)存儲器和32 KB的指令存儲器，4個直接存儲器存儲(DMA)控制單元，以及設(shè)備控制寄存器(DCR)等。其中PowerPCA40處理器具有高達500 MHz的速度，采用IP嵌入架構(gòu)的形式整合到FPGA器件中，增強型BOOK-E體系結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包括一個具有7級流水線的微內(nèi)核，每周期最多可執(zhí)行兩條命令，從而提高了整體的吞吐量。PLB總線采用36位地址路徑，可提供64 GB的內(nèi)存尋址能力。
    Xilinx公司提供的EDK開發(fā)工具是一種專門針對FPGA內(nèi)部嵌入式處理器的集成開發(fā)工具包，主要的軟件設(shè)計由EDK中的子工具包SDK完成。用戶可以通過集成在EDK中的XPS來調(diào)用各種工具完成嵌入式系統(tǒng)平臺的搭建工作。
    EDK10．1版本較之9．1版本有很大的變化，其中軟核版本升級到7．1，IBM CoreConneet總線標(biāo)準中的OPB總線被PLB總線代替，還提供了豐富的外圍IP可供選擇。光纖通道接口卡的FPGA實現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示。


    (1)PowerPC處理器和高速存儲器通過PLB高速總線互聯(lián)在一起構(gòu)成嵌入式操作系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的運行平臺。
    (2)用戶接口IP提供一個方便的接口，供外部設(shè)備操控接口卡芯片，亦可對該芯片的工作狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控。
    (3)采用FPGA芯片內(nèi)部集成的可編程高速串行收發(fā)器RoeketI／O來負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
    (4)在數(shù)據(jù)發(fā)送端，硬件通過DMA方式讀取與序列和交換管理有關(guān)的隊列，然后根據(jù)隊列中的信息，確定每個幀頭的內(nèi)容，再通過DMA方式讀取管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并組裝成幀發(fā)送出去；在數(shù)據(jù)接收端，硬件接收到幀后，通過DMA方式寫到內(nèi)存中，軟件負責(zé)將幀重組為序列，再將序列重組成交換。

3 IPIF模塊
    由于PLB總線接口協(xié)議非常復(fù)雜，為了讓用戶可以更便捷地實現(xiàn)總線與用戶IP的交互，Xilinx公司提供了在用戶IP核和PLB v4．6總線標(biāo)準之間的一個雙向的PLBV46_Slave_Single接口協(xié)議模塊IPIF，如圖3所示。


    其中的Slave Attachment結(jié)構(gòu)提供了Slave運行的基礎(chǔ)功能，它在PLB總線和IPIC之間執(zhí)行協(xié)議和時序的轉(zhuǎn)換。用戶IP的用戶邏輯接口需按照IPIC接口標(biāo)準來設(shè)計，才能通過IPIF成功掛接到PLB總線上。
    利用集成在EDK的XPS工具中Create／Import Peripheral Wizard(添加外設(shè)向?qū)Чぞ?，以對話框的形式可以很便捷地配置IPIF模塊，以Master／Slave的方式將用戶自定制IP核掛接到PLB總線上，通過ISE1O．1環(huán)境綜合驗證模塊的正確性。然后再利用此工具，將經(jīng)過驗證正確的IP核導(dǎo)入EDK環(huán)境下，這樣就成功建立了一個IP核的通用模板。最后再在相應(yīng)的．VHD文件中添加用戶功能代碼，即可完成基于PLB總線接口的用戶自定制IP核的添加。

結(jié)語
    本文設(shè)計的光纖通道接口卡芯片采用Xilinx公司推出的新一代嵌入式硬核PowerPCA40，利用EDK開發(fā)工具，在Virtex5系列FPGA開發(fā)平臺上實現(xiàn)了接口卡芯片的基本功能，支持點對點拓撲結(jié)構(gòu)和仲裁環(huán)拓撲結(jié)構(gòu)，為用戶自定制IP核的開發(fā)應(yīng)用提供了一定的參考。