作為通道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，光纖通道(fibre channel)是一種具有高實時性、高可靠性、高帶寬，高性價比的開放式網(wǎng)絡(luò)。任何需要接入到光纖通道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都需要相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡(NAC)，而網(wǎng)絡(luò)接口卡的核心是接口控制芯片。由于光纖通道標準是一項十分龐大而復(fù)雜的協(xié)議，不同的特性適用于不同的應(yīng)用環(huán)境;又因為光纖通道標準目前仍處于發(fā)展階段，標準的內(nèi)容還在做不停的變化，因此選用FPGA作為當前接口控制芯片的載體是一個非常合適的選擇。一方面對于不同的應(yīng)用環(huán)境，可以對相應(yīng)的功能模塊進行適當?shù)牟脺p，既能滿足應(yīng)用需要又能降低成本;另一方面對于協(xié)議的變化，基于FPGA的實現(xiàn)也很容易就能對老版本設(shè)計進行更新。
1.協(xié)議分析
和OSI參考模型類似，光纖通道協(xié)議簇也是以分層的方式來組織各個協(xié)議的。其分層模型如圖1所示。
圖1 光纖通道分層模型
作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，光纖通道支持許多上層協(xié)議，包括VIA、SCSI、IPv4、IPv6、SBCCS、ASM等。在為這些協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)之前，需要先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)映射成規(guī)定的格式，F(xiàn)C-4層實現(xiàn)這一映射，對于每一個支持的上層協(xié)議，都有一個映射協(xié)議與之相對應(yīng)。
FC-3層是一個通用服務(wù)層，為映射層協(xié)議提供一系列通用服務(wù)。比較重要的幾個服務(wù)包括：交換注冊、端口注冊和注銷服務(wù)。
FC-2層是光纖通道協(xié)議中最重要的一層，定義了將數(shù)據(jù)塊進行端到端傳輸?shù)囊?guī)則和機制，包括不同類型的服務(wù)、幀格式定義、序列的分片和重裝、交換管理、地址分配和多播管理等。
FC-1層定義了串行編碼和解碼規(guī)范，規(guī)定使用8B/10B編碼。
FC-0層是光纖通道協(xié)議的物理層規(guī)范，定義了發(fā)射機、接收機、傳輸介質(zhì)以及它們之間的接口規(guī)范。傳輸速率也在這里定義。
2.設(shè)計方案
通過對協(xié)議的分析得出，映射層協(xié)議和具體應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，應(yīng)該由用戶自己實現(xiàn)。接口控制芯片在邏輯上可以分成三部分，即通用服務(wù)模塊、端到端IU傳輸和緩沖到緩沖幀傳輸;在實現(xiàn)方式上又可以分為軟件部分和硬件部分。接口控制芯片系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 接口控制芯片系統(tǒng)組成
圖2左邊的PowerPC和存儲器控制器通過PLB總線互聯(lián)在一起，構(gòu)建了Linux操作系統(tǒng)和接口控制芯片的軟件部分的運行平臺。
PowerPC架構(gòu)中還包含了通用的OPB總線，用來進行外部設(shè)備的互聯(lián)。OPB總線通過一個PLB-OPB橋連接到PLB總線，如圖2右邊所示。連接到OPB總線的外部設(shè)備只有一個，也就是光纖通道傳輸核。
用戶接口定義了接口控制芯片的用戶接口。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，這個模塊有不同的實現(xiàn)方法，如PCI或USB。
當用戶有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，通過接口控制芯片的用戶接口將數(shù)據(jù)按標準格式存人芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器，并通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器請求接口控制芯片的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。然后，軟件代碼將數(shù)據(jù)接管過來，先為這次數(shù)據(jù)(IU)傳輸分配相應(yīng)的軟件資源(交換狀態(tài)塊、序列狀態(tài)塊等)用以記錄數(shù)據(jù)的發(fā)送狀態(tài)。等完成相應(yīng)的處理后，PowerPC通過光纖通道傳輸核提供的接口通知傳輸核對數(shù)據(jù)進行處理，包括分片、成幀、CRC計算和8B/10B編碼等任務(wù)。最后，傳輸核通過輸出引腳輸出高速串行數(shù)據(jù)去調(diào)制光發(fā)射機并發(fā)送到光纖鏈路。
當從輸入鏈路上接收到數(shù)據(jù)時，傳輸核首先對數(shù)據(jù)進行處理，包括位同步、串并轉(zhuǎn)換、8B/10B解碼、字同步、有序集檢測、CRC校驗和幀提取。當有效幀接收到并存到接收緩沖區(qū)后，硬件模塊設(shè)置相應(yīng)的寄存器通知Power-PC，然后PowerPC對接收到的幀進行處理，包括分配相應(yīng)的軟件資源、幀重裝。當屬于一個序列的所有幀都正確接收完后，PowerPC通過用戶接口模塊通知用戶模塊，用戶模塊接收到數(shù)據(jù)后自行進行處理。
3.硬件設(shè)計
接口控制芯片的硬件部分也就是圖2中的光纖通道傳輸核，負責將數(shù)據(jù)幀按標準規(guī)定的格式從發(fā)送緩沖區(qū)傳輸?shù)芥溌妨硪欢说慕邮站彌_區(qū)。為了正確有效地完成這個任務(wù)，接口控制芯片的硬件部分實現(xiàn)以下一些功能：緩沖到緩沖的流量控制、鏈路級別的差錯檢測和恢復(fù)、字同步、有序集檢測、幀提取、8B/10B編解碼和串并/并串轉(zhuǎn)換等功能。接口控制芯片的硬件部分功能框圖如圖3所示。
圖3 光纖通道傳輸核
3.1發(fā)送控制邏輯
發(fā)送控制邏輯的功能是控制幀、原語信號和原語序列的發(fā)送順序，使之符合光纖通道標準，主要包括保證連續(xù)幀之間具有足夠的間隔和在幀之間插入原語信號。
發(fā)送幀的CRC值也由發(fā)送控制邏輯計算，傳統(tǒng)的串行計算方法達不到要求的速率，這里采用并行CRC算法進行計算，每個時鐘有效沿可以計算32位數(shù)據(jù)，大大提高了數(shù)據(jù)吞吐量。
緩沖到緩沖流量控制也在發(fā)送控制邏輯中實現(xiàn)。發(fā)送控制邏輯維持一個計數(shù)器，表示當前已發(fā)送但還未被確認的幀的數(shù)目，每當發(fā)送1幀，計數(shù)器加1;當接收到 R_RDY原語信號時，計數(shù)器減1。如果這個值小于配置寄存器中的BB_Credit值，則表示可以繼續(xù)發(fā)送幀;否則，表明目標端口已經(jīng)沒有可用的接收緩沖區(qū)，發(fā)送控制邏輯此時就不往外發(fā)出幀。
3.2接收控制邏輯
8B/10B解碼出來的數(shù)據(jù)是字節(jié)數(shù)據(jù)，而所有的有序集都是字，因此需要在輸入的字節(jié)流中正確區(qū)分出字邊界。接收控制邏輯內(nèi)部的字同步模塊和接收狀態(tài)機協(xié)同工作，實現(xiàn)這一功能。標準規(guī)定的接收機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。
圖4 接收機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
3.38B/10B編解碼
傳統(tǒng)的編解碼方法由數(shù)字邏輯實現(xiàn)，主要是為了節(jié)省邏輯資源。由于FPGA內(nèi)含有豐富的RAM，使其作為編解碼的載體既可以降低復(fù)雜程度又可以提高編解碼的速度，待編碼的數(shù)據(jù)作為地址線輸人，編碼數(shù)據(jù)存在RAM內(nèi)從數(shù)據(jù)線輸出。
3.4端口狀態(tài)機
作為鏈路級差錯檢測與恢復(fù)的核心，端口狀態(tài)機對收發(fā)鏈路的狀態(tài)進行監(jiān)測。每當鏈路狀態(tài)出現(xiàn)異常，端口狀態(tài)機就根據(jù)異常的起因啟動不同的鏈路恢復(fù)協(xié)議來對鏈路進行恢復(fù)。如果恢復(fù)失敗，那么端口狀態(tài)機就通過狀態(tài)寄存器向上層報告。出于版面的考慮，簡化的端口狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5所示。
圖5 端口狀態(tài)機狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
3.5其他模塊
異步FIFO：由于接口控制芯片的接收部分使用從接收數(shù)據(jù)中恢復(fù)出來的時鐘，因此和芯片的主時鐘是異步的。當將接收到的數(shù)據(jù)交給其他工作于主時鐘的模塊處理時需要進行速率調(diào)整。異步FIFO用于實現(xiàn)這個功能。串并/并串轉(zhuǎn)換：高速的串并轉(zhuǎn)換對器件性能有較高要求。FPGA內(nèi)部集成了專用的硬核 (RocketIO)用來實現(xiàn)這一功能，因此對其進行適當?shù)呐渲眉纯?。這樣節(jié)省了專用的串并轉(zhuǎn)換芯片。
配置寄存器存儲一系列的工作參數(shù)，如(R_T_TOV、E_D_TOV等)，復(fù)位后以默認值初始化寄存器。完成注冊后，使用新值更新寄存器。
光纖通道傳輸核通過狀態(tài)寄存器來表示自己當前所處的狀態(tài)(如在線、離線等)。
4.軟件設(shè)計
接口控制芯片的軟件部分負責進行參數(shù)協(xié)商和處理與端到端數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的事務(wù)，包括端口注冊和交換注冊、提供不同類型的服務(wù)、端到端流量控制、序列級差錯檢測和恢復(fù)。
為了簡化軟件的設(shè)計，以嵌人式Linux操作系統(tǒng)作為接口控制芯片的軟件運行環(huán)境。通過設(shè)計一系列的操作函數(shù)，實現(xiàn)整個軟件系統(tǒng)。最重要的函數(shù)包括：端口注冊函數(shù)、IU發(fā)送函數(shù)和接收幀處理函數(shù)。
4.1端口注冊函數(shù)PLogin_in()
注冊包含端口注冊和交換注冊。兩種注冊的流程類似，這里僅分析端口注冊。系統(tǒng)啟動后，需要對芯片的工作參數(shù)進行配置，注冊函數(shù)根據(jù)用戶的配置選擇注冊方式。如果用戶指定隱式注冊，那么注冊函數(shù)從配置文件中讀取默認配置參數(shù)配置芯片;如果用戶指定顯式注冊，那么注冊函數(shù)發(fā)送注冊請求，等對方端口返回響應(yīng)后，注冊函數(shù)用響應(yīng)的數(shù)據(jù)配置參數(shù)。端口注冊函數(shù)的工作流程如圖6所示。
圖6 IU注冊流程
4.2IU發(fā)送函數(shù)Sen
圖7 IU發(fā)送流程
4.3接收幀處理函數(shù)Frm_Rcved()
當光纖通道傳輸核將正確的幀接收到并存儲于接收緩沖區(qū)后，通過狀態(tài)接口通知PowerPC。此時Frm_Rcved()函數(shù)開始處理幀頭，幀頭中需要檢查的參數(shù)很多，這里不在贅述。如果幀頭中的參數(shù)沒有錯誤，那么函數(shù)為這個新接收到的幀分配存儲空間，然后從接收緩沖區(qū)中將幀取到存儲器中，并以一定的方式和之前接收到的幀關(guān)聯(lián)起來(例如鏈表);如果幀頭中的參數(shù)有誤，則將幀丟棄并啟動中止序列協(xié)議進行序列恢復(fù)。
結(jié)語
本文總結(jié)了基于FPGA的光纖通道接口控制芯片設(shè)計方案，采用Verilog實現(xiàn)了接口控制芯片的RTL設(shè)計并完成了功能仿真和驗證，并通過嵌入式PowerPC完成了接口控制芯片的控制軟件設(shè)計;以Xilinx公司的Virtex-II Pro系列FPGA為平臺，實現(xiàn)了接口控制芯片原型。該設(shè)計具有極大的靈活性和可擴展性，在不同的應(yīng)用環(huán)境中只需要對相應(yīng)的軟硬件代碼進行適當?shù)牟脺p或擴展即可，無需對PCB電路進行任何更改，具有極其廣泛的應(yīng)用價值。
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