基于上位機與FPGA開發(fā)板的光纖通道接口適配器

　　隨著存儲技術(shù)的迅速發(fā)展，存儲容量得到了迅速的增長，存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度成為了主要的瓶頸。光纖的傳輸具有其速度上的優(yōu)勢，然而，在光纖傳輸要受到光纖通道接口的限制，因此光纖通道應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵技術(shù)問題是接口的設(shè)計問題，本文對有效地解決高數(shù)據(jù)傳輸在接口處的瓶頸具有現(xiàn)實意義。

　　1 方案設(shè)計

　　完整的實現(xiàn)要包含PC機軟件編程、Virtex-5開發(fā)板的底層鏈路實現(xiàn)。PC機的軟件編寫主要實現(xiàn)鏈路的創(chuàng)建注銷控制、數(shù)據(jù)的組幀、數(shù)據(jù)的傳輸控制、傳輸過程中的顯示;VirteX-5開發(fā)板主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈路貫通、支持上位機所定義的幀結(jié)構(gòu)的傳輸過程。

　　如圖1所示，接口適配器功能實現(xiàn)過程主要包含協(xié)議的正確理解，按照協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織、具體的實現(xiàn)模塊的設(shè)計與編寫、結(jié)合VirteX-5底層鏈路的貫通實現(xiàn)光纖通信接口適配器功能。

　　2 設(shè)計的具體實現(xiàn)

　　2.1 協(xié)議的分析與與裁剪

　　針對不同的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)當(dāng)對FC協(xié)議進行適當(dāng)?shù)牟眉?，盡可能地有效利用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FC協(xié)議是一個具有五層組成的協(xié)議體系。包括：FC-0層、FC-1層、FC-2層、FC-3層、FC-4層。

　　各層的功能分別為：

　　(1)：FC-O：主要規(guī)定了物理接口，包含傳輸介質(zhì)，收發(fā)器及接口等。

　　(2)FC-1：8 B/10 B編碼;串化解串;比特與字同步。

　　(3)FC-2規(guī)定了光纖通道的傳輸機制：

　　有序集的檢測與識別;FC端口狀態(tài)機;幀的發(fā)送與接收，幀接收時要進行有效性檢查;流量控制;幀管理;交換與序列管理;數(shù)據(jù)幀與響應(yīng);多播與廣播;分段與重組;差錯檢測與回復(fù)。

　　(4)FC-3：基本鏈路服務(wù);擴展鏈路服務(wù);查詢組。

　　(5)FC-4：映射上層協(xié)議，本文主要是映射MILstd-1553B協(xié)議。

　　2.2 軟件編程中各模塊的代碼的設(shè)計

　　軟件實現(xiàn)的設(shè)計部分：GUI模塊設(shè)計、設(shè)備抽象層的設(shè)計、任務(wù)處理模塊的設(shè)計、FC的協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計。

　　(1)GUI部分主要是顯示作用，可以對接口適配器的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置和界面顯示。GUI模塊設(shè)計內(nèi)容有：整體界面、鏈路參數(shù)區(qū)、鏈路建立區(qū)、信息顯示區(qū)。

　　(2)設(shè)備抽象層的設(shè)計。該部分在于屏蔽下層不同物理設(shè)備間的差異;提供較為簡便的方式，使上層模塊同邏輯進行通信。本層需要提供對上層支持的設(shè)備操作接口及在內(nèi)部通過封裝WinDriver驅(qū)動提供的功能接口，實現(xiàn)對上層的功能支持。

　　(3)任務(wù)處理模塊的設(shè)計。主要實現(xiàn)對鏈路和數(shù)據(jù)各自的不同的任務(wù)操作情況。鏈路數(shù)據(jù)區(qū)與文件數(shù)據(jù)區(qū)分別需要保存各自的任務(wù)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，另外，它是 GUI模塊變更LIST的依據(jù)，從而還需要保存下層協(xié)議所具備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

　　(4)FC協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計。該部分主要描述任務(wù)發(fā)送協(xié)議與鏈路建立協(xié)議。

　?、冁溌方⒌淖赃^程：數(shù)據(jù)傳輸前，需要通過注冊建立發(fā)送端與接收端的鏈路。首先，發(fā)送端把待注冊的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端;然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端建立鏈路。若不滿足相關(guān)檢查則終止該次注冊過程。

　　②鏈路的注銷過程：當(dāng)需要注銷鏈路時，首先，發(fā)送端把待注銷的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端;然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端注銷鏈路，若不滿足相關(guān)檢查則終止該次注銷過程。

　?、蹟?shù)據(jù)傳輸過程：數(shù)據(jù)傳輸是鏈路建立的根本目的，簡化的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

　　2.3 Virtex-5開發(fā)板的底層保證

　　(1)系統(tǒng)構(gòu)造邏輯設(shè)計主要完成以下幾點功能：

　　控制PCIE硬核實現(xiàn)與上層軟件交互;對上層傳輸數(shù)據(jù)加CRC校驗;完成FC鏈路初始化過程;完成FC流控功能;完成FC-2差錯處理;控制ROCKET I/O把上層軟件數(shù)據(jù)通過ROCKET I/O發(fā)送;控制ROCKET、I/O把接收恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈榆浖?/P>

　　(2)邏輯設(shè)計的模塊組成：底層邏輯控制模塊主要完成FC物理層通信，它主要包括發(fā)送模塊、接收模塊和PCIE控制模塊三部分，每個模塊又根據(jù)功能不同劃分多個子模塊，在PCIE控制模塊中，有一些緩存來存放接收模塊傳送過的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送模塊也會從PCIE控制模塊的緩存中讀取數(shù)據(jù)傳送出去，其原理框圖如圖3所示。

　　數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 該模塊通過讀取上位機的狀態(tài)信息來發(fā)送不同的信息，當(dāng)ACK使能時，該模塊發(fā)ACK，當(dāng)數(shù)據(jù)使能時，該模塊就發(fā)送固定幀數(shù)的數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)是從緩存中讀取，CRC由該模塊添加。空閑時就發(fā)送IDLE碼。

　　數(shù)據(jù)接收模塊 接收模塊包括接收控制模塊、CRC模塊和臨時緩存模塊。主要完成數(shù)據(jù)和鏈路控制幀以及準(zhǔn)備信號的接收，并實現(xiàn)CRC校驗，根據(jù)幀頭來判斷不同類型的數(shù)據(jù)幀或控制幀，并存入緩存中，同時將幀的相關(guān)信息也放入相應(yīng)的緩存中。

　　PCIE接口控制模塊 該模塊主要根據(jù)PCIE總線上的地址對應(yīng)的寄存器的值，譯碼成相應(yīng)的使能把PCIE總線上數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送buf-f，ACK發(fā)送 buff反之根據(jù)邏輯輸入的使能，譯碼成對應(yīng)的PCIE總線上對應(yīng)地址的對應(yīng)寄存器的值，并把數(shù)據(jù)接收的buffACK接收buff數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的 PCIE地址上。

　　2.4 最終實現(xiàn)

　　通過上位機與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，實現(xiàn)了光纖通道接口適配器的高速性。傳輸效果圖如圖4所示。

　　3 結(jié)語

　　通過上位機與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，模擬并實現(xiàn)了光纖通道在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中接口處的設(shè)計。盡管該設(shè)計是上位機配合FPGA的形式實現(xiàn)，但僅就設(shè)計思路而言，對于實際開發(fā)光纖通道接口適配器具有一定的借鑒意義。