0 引言

　　FC網(wǎng)絡(luò)以其高帶寬、低延時(shí)、擴(kuò)展性好、傳輸可靠性高等特點(diǎn)得到了多方肯定，已廣泛應(yīng)用于民用網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，并成為我國(guó)新一代飛機(jī)航電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)首選[1]。根據(jù)國(guó)際航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)對(duì)航電系統(tǒng)研究論證的結(jié)果，我國(guó)采用基于交換架構(gòu)的FC光纖通道網(wǎng)絡(luò)作為新一代飛機(jī)航空電子系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)，并選用光纖通道航空電子環(huán)境匿名簽署消息(Fibred Channel Avionic Environment Anonymous Subscriber Messaging，FC-AE-ASM)協(xié)議作為航電系統(tǒng)間的通信標(biāo)準(zhǔn)[2]。

　　本文在深入研究及分析FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)機(jī)載航電系統(tǒng)對(duì)FC總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，介紹了一種采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程[4]，體系性地解決了制約我國(guó)FC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題及瓶頸，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)FC通信網(wǎng)絡(luò)研制核心器件的自主保障、自主發(fā)展。

1 研制總體思路

　　首先全面解讀和正確分析FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)，探索有效實(shí)現(xiàn)FC協(xié)議技術(shù)方法和途徑，經(jīng)過(guò)反復(fù)的理論分析和仿真、驗(yàn)證，突破FC協(xié)議正確解讀及分析、關(guān)鍵IP設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、高速串行SerDes電路實(shí)現(xiàn)等關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)FC協(xié)議處理關(guān)鍵IP，研制高速SerDes電路，構(gòu)建芯片F(xiàn)PGA原型，并在多個(gè)系統(tǒng)中進(jìn)行大量的應(yīng)用驗(yàn)證和優(yōu)化，為芯片定義、研制及應(yīng)用打下扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，降低芯片研制風(fēng)險(xiǎn)。

　　在此基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)需求，完成FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的定義、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化；采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)[3-6]方法完成芯片的邏輯設(shè)計(jì)、虛擬原型驗(yàn)證、FPGA原型驗(yàn)證、協(xié)議符合性測(cè)試驗(yàn)證；基于成熟工藝，完成后端物理設(shè)計(jì)、管殼定制、流片制造、封裝與測(cè)試；基于FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片開(kāi)發(fā)配套驅(qū)動(dòng)軟件，為自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)提供核心芯片及基礎(chǔ)軟件。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 芯片功能

　　通過(guò)對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)協(xié)議全面解讀與分析，確定使用光電轉(zhuǎn)換器和SerDes收發(fā)器模擬電路實(shí)現(xiàn)FC-0層和FC-1層的功能，F(xiàn)C協(xié)議處理器數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)FC-2層到FC-4層的全部功能。如圖1所示。

　　通過(guò)對(duì)協(xié)議分層模型的反復(fù)理論分析，采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式，遵循與性能或者功耗相關(guān)的功能用硬件實(shí)現(xiàn)、其他用軟件實(shí)現(xiàn)的原則。研制核心FC-MAC IP核完成FC-1、FC-2層協(xié)議的8b/10b編解碼[5]、流量控制、FC-FS協(xié)議[7-8]核心端口狀態(tài)機(jī)等功能；研制核心FC-AE-ASM協(xié)議處理核心IP，完成FC-4層中FC-AE-ASM協(xié)議中明確規(guī)定的對(duì)數(shù)據(jù)流分包和重組、組幀等內(nèi)容。結(jié)合FC-AE-ASM節(jié)點(diǎn)機(jī)的功能及性能需求，提出FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的主要功能如下：

　　(1)內(nèi)嵌高性能PPC460處理器，工作頻率125 MHz/250 MHz可配置；

　　(2)FC-FS協(xié)議處理功能和性能：支持1、2、3、6類服務(wù)和N、F、E、B端口；傳輸速率：1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可選；支持幀的CRC校驗(yàn)、信用管理；支持統(tǒng)計(jì)信息收集。

　　(3)集成FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎：FC-AE-ASM協(xié)議通信處理功能；FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)功能；FC網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制功能；雙余度FC鏈路功能。

　　(4)集成FC高速串并轉(zhuǎn)換SerDes。

　　(5)存儲(chǔ)器控制器。片內(nèi)存儲(chǔ)器資源128 KB；片外存儲(chǔ)器接口：片上處理器程序加載Flash 32 MB；主機(jī)訪問(wèn)Flash 32 MB；片上處理器程序擴(kuò)展SSRAM 64 MB。

　　(6)外圍接口。高速PCIe主機(jī)接口支持4x、1x模式，通道速率為2.5 Gb/s；高速RapidIO主機(jī)接口支持自適應(yīng)的4x、1x模式，3種不同線速率：1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s；串口、GPIO接口；JTAG調(diào)試接口。

　　2.2 芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)對(duì)FC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的理解和系統(tǒng)應(yīng)用功能及性能需求的分析，提出FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的體系架構(gòu)如圖2所示。

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片提供ASM協(xié)議處理功能，其工作原理如下：

　　(1)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由主機(jī)在內(nèi)存中按ASM消息格式準(zhǔn)備消息，之后啟動(dòng)消息發(fā)送；主機(jī)接口DMA將數(shù)據(jù)從主機(jī)內(nèi)存的消息發(fā)送緩沖區(qū)中搬移到片內(nèi)幀緩沖；發(fā)送控制模塊將數(shù)據(jù)輸出到SerDes模塊，SerDes模塊將輸入的并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的高速串行數(shù)據(jù)流輸出到片外；

　　(2)接收數(shù)據(jù)時(shí)，SerDes模塊將2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的片外串行輸入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；接收控制模塊接收幀時(shí)查詢通信配置表，如果能查到相應(yīng)的配置項(xiàng)，則將ASM數(shù)據(jù)搬移到FC接收緩沖區(qū)，再將其搬移到片內(nèi)消息幀緩沖；接收管理模塊判斷消息所對(duì)應(yīng)的通信配置索引項(xiàng)的位置，然后判斷消息接收緩沖區(qū)狀態(tài)，如果可以接收則計(jì)算出緩沖地址，并啟動(dòng)主機(jī)接口模塊的DMA，將ASM數(shù)據(jù)幀從片內(nèi)消息幀緩沖搬移到主機(jī)內(nèi)存的接收緩沖區(qū)中；消息的接收方式可以配置為中斷主機(jī)或主機(jī)查詢，如為中斷方式，則將消息ID保存到中斷相關(guān)寄存器中，發(fā)中斷給主機(jī)。

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片提供ELS幀實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，其工作原理如下：

　　(1)發(fā)送ELS幀時(shí)，片上處理器按照ELS幀格式組幀，并寫(xiě)入ELS幀發(fā)送緩沖，啟動(dòng)發(fā)送，由發(fā)送控制模塊將要發(fā)送的幀從ELS發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送到FC MAC控制器的客戶端接口；FC MAC控制器負(fù)責(zé)將ELS幀輸出到SerDes模塊；SerDes模塊將接收到的并行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換串行數(shù)據(jù)輸出。

　　(2)接收ELS幀時(shí)，SerDes模塊將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)流；FC MAC控制器將SerDes輸出的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為32位的數(shù)據(jù)流從客戶端輸出；接收控制模塊從FC MAC控制器的客戶端接口將ELS幀接收到ELS幀接收緩沖區(qū)，更新接收頭指針，交由片上處理器處理。

　　2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)得出硬件系統(tǒng)，包括FC-AE-ASM協(xié)議處理模塊、PCIe主機(jī)接口、RapidIO主機(jī)接口、高速串并轉(zhuǎn)換SerDes、PPC460嵌入式處理器、其他片上資源等。

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理模塊支持256個(gè)非數(shù)據(jù)塊消息和16個(gè)數(shù)據(jù)塊消息的收發(fā)控制，支持ELS幀的收發(fā)，提供網(wǎng)絡(luò)管理硬件支持，具備信息交互區(qū)及命令交互寄存器，用于主機(jī)與片上處理器之間交互網(wǎng)絡(luò)管理信息數(shù)據(jù)，設(shè)備控制處理功能(包括設(shè)備軟復(fù)位、ASM數(shù)據(jù)收發(fā)使能和禁止、主機(jī)和設(shè)備之間的硬件信號(hào)量、FC設(shè)備的WDT定時(shí)功能、硬件設(shè)備心跳控制和檢測(cè))、雙余度控制功能、FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)統(tǒng)功能。

　　PCIe主機(jī)接口完成從PCIe串行鏈路到用戶端邏輯之間的PCIe協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)高速傳輸。該P(yáng)CIe主機(jī)接口由PCIe協(xié)議處理模塊和DMA模塊兩部分組成。PCIe協(xié)議處理模塊實(shí)現(xiàn)了協(xié)議規(guī)定的事務(wù)層、鏈路層、物理層邏輯子塊的功能，支持端點(diǎn)操作，為用戶提供全面的底層PCIe狀態(tài)信息。DMA模塊支持最多2個(gè)S2C及2個(gè)C2S DMA通道，支持用戶端直接控制。

　　RapidIO主機(jī)接口由6部分組成：邏輯及傳輸層模塊(實(shí)現(xiàn)邏輯及傳輸層協(xié)議包括負(fù)責(zé)事務(wù)組包、拆包等功能)、物理層模塊(實(shí)現(xiàn)物理層協(xié)議包括包的控制符號(hào)傳送、流量控制、錯(cuò)誤管理等功能)、寄存器管理模塊(負(fù)責(zé)對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作)、寄存器組模塊(集中實(shí)現(xiàn)各層寄存器)、時(shí)鐘及復(fù)位模塊、應(yīng)用模塊(實(shí)現(xiàn)DMA、門(mén)鈴操作以及片內(nèi)資源訪問(wèn)等功能)。

　　高速串并轉(zhuǎn)換SerDes主要完成FC-1層的8b/10b編解碼、串化/解串和不同時(shí)鐘域數(shù)據(jù)的時(shí)序轉(zhuǎn)換。

　　PPC460嵌入式處理器提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及控制能力，通過(guò)工作在較高時(shí)鐘頻率的PLB總線和外圍設(shè)備通信，完成FC速率配置，ELS幀的接收、發(fā)送以及FC MAC的初始化配置。

　　其他片上資源包括片上總線、中斷控制器、定時(shí)控制器、看門(mén)狗、通用輸入輸出接口、UART接口、調(diào)試接口等。

　　2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的相關(guān)軟件為各個(gè)系統(tǒng)提供使用FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁PI接口。該軟件主要分為：(1)運(yùn)行在宿主機(jī)上由用戶程序調(diào)用的FC-AE-ASM接口驅(qū)動(dòng)軟件、PCIe接口驅(qū)動(dòng)軟件、RapidIO接口驅(qū)動(dòng)軟件；(2)運(yùn)行在FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片上的FC-AE-ASM接口底層傳輸軟件，及其他資源模塊（VIC、Uart、Timer等）的驅(qū)動(dòng)軟件。

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理軟件的核心部件為FC-AE-ASM接口軟件，包含F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議通信功能、設(shè)備管理功能、時(shí)統(tǒng)管理功能、網(wǎng)絡(luò)管理功能。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　FC-AE-ASM接口軟件功能如下：

　　(1)FC-AE-ASM協(xié)議通信功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)ASM消息處理程序的注冊(cè)、注銷，通信表的加載和卸載，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議非數(shù)據(jù)塊消息的封裝，ASM協(xié)議通信的啟動(dòng)、停止控制，ASM消息的發(fā)送、接收控制等。航電應(yīng)用通過(guò)調(diào)用ASM通信接口實(shí)現(xiàn)不同硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信交互；

　　(2)網(wǎng)絡(luò)管理功能。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化控制，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理器控制權(quán)爭(zhēng)奪控制。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)控制，網(wǎng)絡(luò)上/下線管理（linkup/linkdown），網(wǎng)絡(luò)上/下網(wǎng)控制(online/offline)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)健康監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)時(shí)統(tǒng)控制，網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)加載及固化。航電應(yīng)用系統(tǒng)管理通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)管理接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的控制及管理；

　　(3)設(shè)備管理功能。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉，設(shè)備軟復(fù)位，設(shè)備自測(cè)試，設(shè)備狀態(tài)獲取，軟件版本獲取。航電應(yīng)用系統(tǒng)管理通過(guò)調(diào)用設(shè)備管理接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FC網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理功能；

　　(4)時(shí)統(tǒng)管理功能。提供一組網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步驅(qū)動(dòng)控制接口，包括時(shí)鐘同步模式設(shè)置、時(shí)鐘同步使能、時(shí)鐘同步禁止、任務(wù)系統(tǒng)RTC設(shè)置、任務(wù)系統(tǒng)RTC獲取、任務(wù)系統(tǒng)同步監(jiān)控門(mén)限設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)日歷信息設(shè)置以及網(wǎng)絡(luò)日歷信息獲取功能。

　　2.3 物理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片設(shè)計(jì)規(guī)模為1 730余萬(wàn)門(mén)，芯片面積為12.3×12.3(mm2)，芯片工作溫度范圍-55 ℃~125 ℃。

　　2.4 芯片流片、封裝

　　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的流片制造采用SMIC 0.13 ?滋m Logic工藝，內(nèi)核電壓1.2 V，IO電壓3.3 V，封裝形式為CBGA440。

　　2.5 芯片驗(yàn)證

　　2.5.1 驗(yàn)證策劃

　　根據(jù)芯片需求以及功能定義，對(duì)芯片測(cè)試、驗(yàn)證進(jìn)行詳細(xì)策劃，編制芯片樣片測(cè)試規(guī)范，依據(jù)測(cè)試規(guī)范對(duì)芯片進(jìn)行芯片級(jí)及系統(tǒng)應(yīng)用級(jí)驗(yàn)證，以保證芯片功能、性能、對(duì)外接口、電氣特性以及兼容性滿足應(yīng)用要求。

　　芯片級(jí)測(cè)試內(nèi)容包括：電氣特性及基本功能測(cè)試、板級(jí)功能及性能測(cè)試、復(fù)雜核心IP測(cè)試、協(xié)議符合性測(cè)試及芯片的環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試，以上測(cè)試可以基于芯片樣片同步并行開(kāi)展。芯片應(yīng)用級(jí)驗(yàn)證主要結(jié)合實(shí)際研制項(xiàng)目開(kāi)展基于子卡、模塊及系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用驗(yàn)證。具體實(shí)施如圖4所示。

　　2.5.2 驗(yàn)證實(shí)施

　　芯片測(cè)試驗(yàn)證從芯片級(jí)測(cè)試到應(yīng)用級(jí)測(cè)試，涵蓋FC接口2.125/1.062 5 Gb/s 2種速率、RapidIO接口1線/4線2種模式和3.125/2.5/1.25 Gb/s 3種速率、PCIe接口1線/4線2種模式、PowerPC 250/125 MHz 2種時(shí)鐘頻率，共計(jì)32種場(chǎng)景，每種場(chǎng)景下開(kāi)發(fā)測(cè)試程序807項(xiàng)。

　　2.5.3 驗(yàn)證結(jié)果

　　經(jīng)測(cè)試芯片電氣特性符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，復(fù)雜核心IP SerDes測(cè)試符合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議符合FC-FS、FC-PI協(xié)議要求。系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試功能、性能滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求，滿足環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需求。主要指標(biāo)驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　市場(chǎng)上存在的一些FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品大多都采用FPGA或ASIC方式實(shí)現(xiàn)，存在板面積大、功耗高、可靠性低、通用性差等不足，已不能滿足系統(tǒng)小型化、高可靠性的要求。

　　與市場(chǎng)上的FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相比，F(xiàn)C協(xié)議處理核心芯片符合系統(tǒng)小型化、低功耗、高性能、高可靠性、高度綜合、復(fù)雜惡劣環(huán)境等應(yīng)用要求。

　　以基于該芯片研制的PMC卡和市場(chǎng)上同類產(chǎn)品相比較，主要指標(biāo)對(duì)比情況如表2所示。

　　由表2可以看出，基于該芯片研制的PMC卡與市場(chǎng)上同類產(chǎn)品相比顯著提高了功能、性能、可靠性及FC核心產(chǎn)品的自主保障能力。

4 總結(jié)

　　本文針對(duì)機(jī)載航電系統(tǒng)對(duì)FC總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，以及我國(guó)在FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品方面受制于人、系統(tǒng)功耗大、維護(hù)成本高的現(xiàn)狀，提出了一種采用SoC技術(shù)實(shí)現(xiàn)FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的設(shè)計(jì)方法。該芯片功能及性能符合設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已成功應(yīng)用在多個(gè)系統(tǒng)中。應(yīng)用結(jié)果表明，該芯片符合協(xié)議、系統(tǒng)等的要求。該芯片的研制體系性地解決了制約我國(guó)FC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵及瓶頸，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)FC通信網(wǎng)絡(luò)研制核心器件的自主保障和自主發(fā)展。

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