文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.039
中文引用格式： 黎小玉，田文娟，任杰，等. 基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現[J].電子技術應用，2016，42(9)：152-154，158.
英文引用格式： Li Xiaoyu，Tian Wenjuan，Ren Jie，et al. The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：152-154，158.
0 概述
在機載FC網絡產品研制開發中，由于在機載環境下直接進行試驗具有很大的局限性和風險，而在地面環境下進行仿真實驗具有可重復、可控制、無破壞性和耗費小等優點，從而構建機載網絡地面仿真系統進行大量的前期地面實驗來測試樣機的功能和性能成為必要[1]。
傳統FC-ASM仿真卡主要由FPGA、輔助電路構成[2-4]，架構圖如圖1所示。
該方案采用單板的設計方式，由FC-ASM協議處理模塊和外圍電路實現串行FC鏈路數據通信，通過PCIe主機接口[5]實現與主機處理器通信。這種實現方案存在以下缺點：
(1)由于使用FPGA實現，體積大、功耗大且使用時需要增加散熱片及風扇，導致在特殊環境中無法使用。
(2)FPGA片內資源有限，導致FC-ASM仿真卡模式單一，靈活性差。
(3)高性能核心器件不易采購、價格昂貴，自主保障困難。
基于以上原因，本文提出了一種基于自研FC-AE-ASM協議處理芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現。
1 硬件設計與實現
FC-ASM仿真卡的主要功能是作為光纖通道網絡上的仿真節點，用于仿真飛機飛行過程中的各種數據發送至光纖通道網絡中，或者作為節點機輸出光纖通道數據幀。同時為了便于調試和管理，FC-ASM仿真卡也支持FC網絡擴展鏈路服務（ELS幀）的發送，能夠將ELS幀通過FC-ASM仿真卡的FC端口發送到FC鏈路。按照以上仿真卡實現的功能描述，FC-ASM仿真卡的功能架構如圖2所示。
FC-ASM仿真卡硬件設計的核心是FC-AE-ASM協議處理芯片、PCIe主機接口、電源、時鐘、復位及外圍電路設計。
1.1 FC-AE-ASM協議處理芯片
FC-ASM仿真卡的核心部件是自研的FC-AE-ASM協議處理芯片，該芯片內嵌PowerPC處理器，能夠提供強大的數據處理及控制能力，通過工作在較高時鐘頻率的PLB總線和外圍設備通信，主要完成FC速率配置、ELS幀的接收、發送以及FC MAC的初始化配置；提供雙余度1.062 5 Gb/s和2.125 Gb/s速率可配置串行FC鏈路；對外提供PCIe/RapidIO主機接口，與主機處理器配合可完成FC時鐘同步功能、FC網絡管理功能；提供片外Flash和SRAM存儲器接口以及JTAG等調試接口，便于存儲擴展和調試。采用自研芯片以降低整個實現方案的難度，優化仿真系統的設計。
1.2 PCIe主機接口
FC-ASM仿真卡采用PCIe主機接口、金手指形式實現[6]，支持4線模式，提供標準的PCIe INTA中斷方式，支持中斷和查詢2種工作模式[7]。FC-ASM仿真卡作為發送節點時，PCIe主機接口主要負責將主機配置的仿真數據通過DMA方式傳遞給FC-ASM仿真卡硬件；作為接收節點時，將鏈路上的數據通過DMA的方式傳輸到主機，供主機進行處理。
1.3 FC-ASM仿真卡電源
FC-ASM仿真卡工作于PC環境，其中整板電源由PC通過PCIe接口提供+12 V電源。由于整板電流小于1 A，其12 V轉5 V選用ISL8201電源芯片，輸出電流最大10 A，滿足整板需求；數字3.3 V為板上主要芯片及IO電壓，設計成由最大輸出5 A的TPS75501線性電源提供；模擬3.3 V為FC-AE-ASM芯片內部鎖相環等模擬模塊使用，由數字3.3通過1 ?滋H電感轉換；核心器件FC-AE-ASM芯片的數字內核電壓為VCC1.2 V和SerDes內核電壓AVCC1.2 V，均采用輸出電流最大3 A的線性電源TPS74401單獨提供，通過3.3 V轉換為1.2 V，滿足FC-AE-ASM協議處理芯片上電要求(IO先上電，Core后上電)。
FC-ASM仿真卡電源網絡如圖3所示。
1.4 FC-ASM仿真卡時鐘
FC-ASM仿真卡外部用一個單獨的40 MHz的時鐘作為CPU系統處理輸入時鐘，另一個單獨的5 MHz時鐘作為FC時鐘同步時鐘，FC-AE-ASM協議處理器采用單獨的106.25 MHz差分輸入時鐘，PCIe時鐘由主機提供。
1.5 FC-ASM仿真卡復位
FC-ASM仿真卡復位信號包括PCIe主機復位、手動復位、上電復位、JTAG復位。PCIe主機復位是通過PCIe接口產生復位；手動復位是外接復位開關進行硬復位；上電復位是在上電后復位芯片輸出仍保持200 ms的低電平，產生系統復位；JTAG復位是通過RISCWatch仿真器復位處理器進行的系統復位。具體原理如圖4所示。
1.6 FC通信速率配置
在基于自研芯片的FC-ASM仿真卡中，根據用戶實際需求，由硬件和軟件相配合實現雙余度1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s速率串行FC鏈路。軟件通過配置FC鏈路控制寄存器控制FC鏈路速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s；硬件通過FC_RATE信號控制FC SerDes的1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率，高電平選擇2.125 Gb/s，低電平選擇1.062 5 Gb/s。這一點也是傳統FC-ASM仿真卡無法實現的。
1.7 其他外圍電路
除了以上主要功能模塊之外，FC-ASM仿真卡還提供2路Flash：一路用于固化嵌入式處理器的軟件，作為嵌入式處理器的啟動Flash；另一路用于固化FC通信CAM表，作為系統通信時的藍圖配置表存儲Flash。同時FC-ASM仿真卡還對外提供一路RS232接口，便于FC-ASM仿真卡的調試和維護操作。
2 軟件設計與實現
FC-ASM仿真卡軟件分為傳輸軟件、驅動軟件和上層應用仿真軟件，傳輸軟件固化在如圖5所示的Bank0 Flash中，驅動軟件隨上層應用仿真軟件一起駐留在主機上。當FC-ASM仿真卡加電時，板卡內部Flash中固化的傳輸層軟件實現傳輸層功能。上層應用軟件調用驅動軟件，完成FC總線的整個通信、管理等功能。
傳輸軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的內部接口。根據主機的命令完成諸如系統初始化、加載配置表、系統自測試等一系列動作；響應主機以中斷形式發送命令控制FC-ASM協議處理引擎工作；傳輸層的另一重要功能是將FC-ASM仿真卡發生的某些特定事件（例如看門狗超時、系統故障、FC-ASM仿真卡狀態）作為中斷上報給主機，并根據主機的反饋信息對中斷進行處理。
驅動軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的外部接口。向航電應用提供一組標準的API接口(包括設備管理接口、通信管理接口、時鐘同步管理接口、網絡管理接口)，實現對FC網絡系統設備的運行控制。其中，設備管理接口實現對FC-ASM設備的打開、關閉，設備軟復位，狀態獲取；通信管理接口實現通信表的加載、卸載，FC-AE-ASM協議非數據塊消息的封裝，通信的啟動和停止控制，ASM消息的發送、接收控制；時鐘同步管理接口實現時鐘同步模式設置、時鐘同步使能、禁止，任務系統RTC時間設置、獲取，任務系統同步監控門限值設置，網絡日歷信息設置、獲取；網絡管理接口實現網絡初始化控制,網絡上下線管理，網絡上/下網控制，網絡系統健康監控，網絡配置數據加載及固化。
上層應用仿真配合實現FC-ASM仿真卡的FC數據仿真功能，其仿真軟件具有可視化的圖形界面，可依據真實FC網絡環境，通過計算機仿真建立拓撲結構，生成配置文件和消息數據，并可進行數據收發，模擬真實系統中的各種數據流通信，從而直觀地給出仿真結果，為網絡通信提供參考依據。根據用戶需求將仿真數據的配置，仿真流量監控、仿真狀態監控等功能采用軟件實現。圖6、圖7為仿真監控發送界面和仿真監控接收界面。
3 技術優勢
以傳統的FPGA實現的FC-ASM仿真卡與新型的基于自研芯片的FC-ASM仿真卡為例進行分析。替代部分如圖8所示。
3.1 實驗對比分析
在環境實驗中，可能同時使用2塊卡，傳統的FPGA實現的FC-ASM仿真卡體積較大，導致標準的PCIe插槽間距不滿足要求，而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡由于集成度高、體積小等優勢而不存在此問題。
在進行烤機實驗時，傳統的FPGA實現的FC-ASM仿真卡在不添加額外的散熱裝置情況下，出現不穩定問題。而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡以其可靠性高、功耗低等優勢不存在此問題。
3.2 指標對比分析
兩種實現方案主要指標對比情況見表1。
由表1可以看出，與FPGA實現方案相比，基于自研芯片的FC-ASM仿真卡功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性及FC核心產品的自主保障能力。
4 總結
本文通過對傳統的基于FPGA的FC-ASM仿真卡實現方案的分析，提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現。該設計有效解決了傳統仿真卡存在的眾多問題，并具有自主保障能力。現已廣泛應用于地面仿真設備和實驗室中，為多個機載網絡地面仿真系統提供真實可靠的仿真數據，有效支持FC網絡的構建及維護。
參考文獻
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