0 引言

　　FC網絡以其高帶寬、低延時、擴展性好、傳輸可靠性高等特點得到了多方肯定，已廣泛應用于民用網絡、存儲和數據傳輸領域，并成為我國新一代飛機航電系統通信網絡首選[1]。根據國際航電系統的發展趨勢和國內對航電系統研究論證的結果，我國采用基于交換架構的FC光纖通道網絡作為新一代飛機航空電子系統的統一數據通訊網絡，并選用光纖通道航空電子環境匿名簽署消息(Fibred Channel Avionic Environment Anonymous Subscriber Messaging，FC-AE-ASM)協議作為航電系統間的通信標準[2]。

　　本文在深入研究及分析FC網絡協議的基礎上，結合我國機載航電系統對FC總線網絡的應用需求，介紹了一種采用SoC技術實現FC-AE-ASM協議處理芯片的設計與實現過程[4]，體系性地解決了制約我國FC網絡發展的關鍵問題及瓶頸，填補了國內空白，實現了我國FC通信網絡研制核心器件的自主保障、自主發展。

1 研制總體思路

　　首先全面解讀和正確分析FC網絡協議及標準，探索有效實現FC協議技術方法和途徑，經過反復的理論分析和仿真、驗證，突破FC協議正確解讀及分析、關鍵IP設計與驗證、高速串行SerDes電路實現等關鍵技術，開發FC協議處理關鍵IP，研制高速SerDes電路，構建芯片FPGA原型，并在多個系統中進行大量的應用驗證和優化，為芯片定義、研制及應用打下扎實的技術基礎，降低芯片研制風險。

　　在此基礎上，結合系統需求，完成FC-AE-ASM協議處理芯片的定義、體系結構設計及優化；采用軟硬件協同設計[3-6]方法完成芯片的邏輯設計、虛擬原型驗證、FPGA原型驗證、協議符合性測試驗證；基于成熟工藝，完成后端物理設計、管殼定制、流片制造、封裝與測試；基于FC-AE-ASM協議處理芯片開發配套驅動軟件，為自主知識產權的機載FC網絡開發提供核心芯片及基礎軟件。

2 設計與實現

　　2.1 芯片功能

　　通過對FC網絡協議全面解讀與分析，確定使用光電轉換器和SerDes收發器模擬電路實現FC-0層和FC-1層的功能，FC協議處理器數字電路實現FC-2層到FC-4層的全部功能。如圖1所示。

　　通過對協議分層模型的反復理論分析，采用軟硬件協同設計的方式，遵循與性能或者功耗相關的功能用硬件實現、其他用軟件實現的原則。研制核心FC-MAC IP核完成FC-1、FC-2層協議的8b/10b編解碼[5]、流量控制、FC-FS協議[7-8]核心端口狀態機等功能；研制核心FC-AE-ASM協議處理核心IP，完成FC-4層中FC-AE-ASM協議中明確規定的對數據流分包和重組、組幀等內容。結合FC-AE-ASM節點機的功能及性能需求，提出FC-AE-ASM協議處理芯片的主要功能如下：

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

　　(2)FC-FS協議處理功能和性能：支持1、2、3、6類服務和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、信用管理；支持統計信息收集。

　　(3)集成FC-AE-ASM協議處理引擎：FC-AE-ASM協議通信處理功能；FC網絡系統時統功能；FC網絡運行控制功能；雙余度FC鏈路功能。

　　(4)集成FC高速串并轉換SerDes。

　　(5)存儲器控制器。片內存儲器資源128 KB；片外存儲器接口：片上處理器程序加載Flash 32 MB；主機訪問Flash 32 MB；片上處理器程序擴展SSRAM 64 MB。

　　(6)外圍接口。高速PCIe主機接口支持4x、1x模式，通道速率為2.5 Gb/s；高速RapidIO主機接口支持自適應的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調試接口。

　　2.2 芯片架構設計

　　根據對FC協議標準的理解和系統應用功能及性能需求的分析，提出FC-AE-ASM協議處理芯片的體系架構如圖2所示。

　　FC-AE-ASM協議處理芯片提供ASM協議處理功能，其工作原理如下：

　　(1)發送數據時，由主機在內存中按ASM消息格式準備消息，之后啟動消息發送；主機接口DMA將數據從主機內存的消息發送緩沖區中搬移到片內幀緩沖；發送控制模塊將數據輸出到SerDes模塊，SerDes模塊將輸入的并行數據流轉換成2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的高速串行數據流輸出到片外；

　　(2)接收數據時，SerDes模塊將2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的片外串行輸入數據流轉換為并行數據流；接收控制模塊接收幀時查詢通信配置表，如果能查到相應的配置項，則將ASM數據搬移到FC接收緩沖區，再將其搬移到片內消息幀緩沖；接收管理模塊判斷消息所對應的通信配置索引項的位置，然后判斷消息接收緩沖區狀態，如果可以接收則計算出緩沖地址，并啟動主機接口模塊的DMA，將ASM數據幀從片內消息幀緩沖搬移到主機內存的接收緩沖區中；消息的接收方式可以配置為中斷主機或主機查詢，如為中斷方式，則將消息ID保存到中斷相關寄存器中，發中斷給主機。

　　FC-AE-ASM協議處理芯片提供ELS幀實現網絡管理功能，其工作原理如下：

　　(1)發送ELS幀時，片上處理器按照ELS幀格式組幀，并寫入ELS幀發送緩沖，啟動發送，由發送控制模塊將要發送的幀從ELS發送緩沖區發送到FC MAC控制器的客戶端接口；FC MAC控制器負責將ELS幀輸出到SerDes模塊；SerDes模塊將接收到的并行數據流轉換串行數據輸出。

　　(2)接收ELS幀時，SerDes模塊將接收到的串行數據轉換為并行數據流；FC MAC控制器將SerDes輸出的并行數據轉換為32位的數據流從客戶端輸出；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，更新接收頭指針，交由片上處理器處理。

　　2.2.1 硬件設計

　　根據系統架構設計得出硬件系統，包括FC-AE-ASM協議處理模塊、PCIe主機接口、RapidIO主機接口、高速串并轉換SerDes、PPC460嵌入式處理器、其他片上資源等。

　　FC-AE-ASM協議處理模塊支持256個非數據塊消息和16個數據塊消息的收發控制，支持ELS幀的收發，提供網絡管理硬件支持，具備信息交互區及命令交互寄存器，用于主機與片上處理器之間交互網絡管理信息數據，設備控制處理功能(包括設備軟復位、ASM數據收發使能和禁止、主機和設備之間的硬件信號量、FC設備的WDT定時功能、硬件設備心跳控制和檢測)、雙余度控制功能、FC網絡系統時統功能。

　　PCIe主機接口完成從PCIe串行鏈路到用戶端邏輯之間的PCIe協議轉換和數據高速傳輸。該PCIe主機接口由PCIe協議處理模塊和DMA模塊兩部分組成。PCIe協議處理模塊實現了協議規定的事務層、鏈路層、物理層邏輯子塊的功能，支持端點操作，為用戶提供全面的底層PCIe狀態信息。DMA模塊支持最多2個S2C及2個C2S DMA通道，支持用戶端直接控制。

　　RapidIO主機接口由6部分組成：邏輯及傳輸層模塊(實現邏輯及傳輸層協議包括負責事務組包、拆包等功能)、物理層模塊(實現物理層協議包括包的控制符號傳送、流量控制、錯誤管理等功能)、寄存器管理模塊(負責對寄存器進行讀寫操作)、寄存器組模塊(集中實現各層寄存器)、時鐘及復位模塊、應用模塊(實現DMA、門鈴操作以及片內資源訪問等功能)。

　　高速串并轉換SerDes主要完成FC-1層的8b/10b編解碼、串化/解串和不同時鐘域數據的時序轉換。

　　PPC460嵌入式處理器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，完成FC速率配置，ELS幀的接收、發送以及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、定時控制器、看門狗、通用輸入輸出接口、UART接口、調試接口等。

　　2.2.2 軟件設計

　　FC-AE-ASM協議處理芯片的相關軟件為各個系統提供使用FC-AE-ASM協議處理芯片實現FC網絡數據傳輸的API接口。該軟件主要分為：(1)運行在宿主機上由用戶程序調用的FC-AE-ASM接口驅動軟件、PCIe接口驅動軟件、RapidIO接口驅動軟件；(2)運行在FC-AE-ASM協議處理芯片上的FC-AE-ASM接口底層傳輸軟件，及其他資源模塊（VIC、Uart、Timer等）的驅動軟件。

　　FC-AE-ASM協議處理軟件的核心部件為FC-AE-ASM接口軟件，包含FC-AE-ASM協議通信功能、設備管理功能、時統管理功能、網絡管理功能。實現結構框圖如圖3所示。

　　FC-AE-ASM接口軟件功能如下：

　　(1)FC-AE-ASM協議通信功能。實現對ASM消息處理程序的注冊、注銷，通信表的加載和卸載，FC-AE-ASM協議非數據塊消息的封裝，ASM協議通信的啟動、停止控制，ASM消息的發送、接收控制等。航電應用通過調用ASM通信接口實現不同硬件模塊之間的數據通信交互；

　　(2)網絡管理功能。實現網絡初始化控制，網絡系統管理器控制權爭奪控制。網絡系統運行結構控制，網絡上/下線管理（linkup/linkdown），網絡上/下網控制(online/offline)，網絡系統健康監控，網絡時統控制，網絡配置數據加載及固化。航電應用系統管理通過調用網絡管理接口實現對FC網絡運行狀態的控制及管理；

　　(3)設備管理功能。實現設備的打開、關閉，設備軟復位，設備自測試，設備狀態獲取，軟件版本獲取。航電應用系統管理通過調用設備管理接口實現對FC網絡設備的管理功能；

　　(4)時統管理功能。提供一組網絡時鐘同步驅動控制接口，包括時鐘同步模式設置、時鐘同步使能、時鐘同步禁止、任務系統RTC設置、任務系統RTC獲取、任務系統同步監控門限設置、網絡日歷信息設置以及網絡日歷信息獲取功能。

　　2.3 物理設計與實現

　　FC-AE-ASM協議處理芯片設計規模為1 730余萬門，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協議處理芯片的流片制造采用SMIC 0.13 ?滋m Logic工藝，內核電壓1.2 V，IO電壓3.3 V，封裝形式為CBGA440。

　　2.5 芯片驗證

　　2.5.1 驗證策劃

　　根據芯片需求以及功能定義，對芯片測試、驗證進行詳細策劃，編制芯片樣片測試規范，依據測試規范對芯片進行芯片級及系統應用級驗證，以保證芯片功能、性能、對外接口、電氣特性以及兼容性滿足應用要求。

　　芯片級測試內容包括：電氣特性及基本功能測試、板級功能及性能測試、復雜核心IP測試、協議符合性測試及芯片的環境適應性測試，以上測試可以基于芯片樣片同步并行開展。芯片應用級驗證主要結合實際研制項目開展基于子卡、模塊及系統級的應用驗證。具體實施如圖4所示。

　　2.5.2 驗證實施

　　芯片測試驗證從芯片級測試到應用級測試，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種時鐘頻率，共計32種場景，每種場景下開發測試程序807項。

　　2.5.3 驗證結果

　　經測試芯片電氣特性符合設計指標要求，復雜核心IP SerDes測試符合測試標準，協議符合FC-FS、FC-PI協議要求。系統應用測試功能、性能滿足系統應用需求，滿足環境適應性設計需求。主要指標驗證結果如表1所示。

3 技術優勢

　　市場上存在的一些FC網絡產品大多都采用FPGA或ASIC方式實現，存在板面積大、功耗高、可靠性低、通用性差等不足，已不能滿足系統小型化、高可靠性的要求。

　　與市場上的FC網絡產品相比，FC協議處理核心芯片符合系統小型化、低功耗、高性能、高可靠性、高度綜合、復雜惡劣環境等應用要求。

　　以基于該芯片研制的PMC卡和市場上同類產品相比較，主要指標對比情況如表2所示。

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

4 總結

　　本文針對機載航電系統對FC總線網絡的應用需求，以及我國在FC網絡產品方面受制于人、系統功耗大、維護成本高的現狀，提出了一種采用SoC技術實現FC-AE-ASM協議處理芯片的設計方法。該芯片功能及性能符合設計要求，現已成功應用在多個系統中。應用結果表明，該芯片符合協議、系統等的要求。該芯片的研制體系性地解決了制約我國FC網絡發展的關鍵及瓶頸，填補了國內空白，實現了我國FC通信網絡研制核心器件的自主保障和自主發展。

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