一種SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

徐玉杰　朱志強(qiáng)　孟博

摘要：隨著FC網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展及大量部署，F(xiàn)C節(jié)點(diǎn)機(jī)的需求越來越大。為了滿足用戶對(duì)嵌入式FC節(jié)點(diǎn)機(jī)主機(jī)接口多樣化要求，文章提出了一種基于SRIO總線FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，主要采用FPGA作為邏輯設(shè)計(jì)芯片，實(shí)現(xiàn)接口數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，滿足了對(duì)嵌入式FC節(jié)點(diǎn)機(jī)功能、功耗和重量等要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SRIO接口;FC節(jié)點(diǎn)機(jī);軟核

中圖分類號(hào)：TP336;V243? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）08-0112-02

1 引言

機(jī)載網(wǎng)絡(luò)逐漸成為機(jī)載系統(tǒng)乃至飛機(jī)的核心部件，已涉及航電、機(jī)電、飛控等安全關(guān)鍵系統(tǒng)。隨著軍用飛機(jī)綜合化程度的不斷深入、綜合化范圍的不斷擴(kuò)大，在同一個(gè)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上兼容不同安全關(guān)鍵等級(jí)、傳輸帶寬的通信傳輸，以同時(shí)滿足航電、機(jī)電和飛控系統(tǒng)的通信要求，已是大勢(shì)所趨。光纖通道（FC）的高帶寬、低延遲、低誤碼率、靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)以及具有流量控制功能，使得它能很好地滿足綜合模塊化航空電子系統(tǒng)的互連要求[1]。

高速串行輸入輸出（SRIO：Serial Rapid Input and Output）是航電系統(tǒng)中板級(jí)互聯(lián)和芯片級(jí)互聯(lián)的佼佼者，具有高帶寬、低延遲、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。SRIO總線作為一種高速串行總線，因其支持點(diǎn)到點(diǎn)通信，也可通過交換實(shí)現(xiàn)星型及網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，大系統(tǒng)可最多互聯(lián)65536個(gè)節(jié)點(diǎn)，滿足嵌入式領(lǐng)域所需的靈活性、可擴(kuò)展性等要求[2]。

SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)作為一種嵌入式多功能接口單元，嵌入各分系統(tǒng)功能模塊中，實(shí)現(xiàn)各分系統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)通信處理及接口功能。目前PCIE接口的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)已大量使用，但隨著各分系統(tǒng)中越來越多地使用SRIO總線作為分系統(tǒng)內(nèi)部總線，SRIO接口的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)正成為用戶的選擇。

2 節(jié)點(diǎn)機(jī)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)以FPGA為核心處理器完成協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)SRIO與FC之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。邏輯設(shè)計(jì)過程中對(duì)于處理時(shí)效要求高的MAC層、FC-ASM消息等功能由可編程邏輯完成，處理復(fù)雜的FC-ELS消息、主機(jī)接口控制指令等功能由軟核實(shí)現(xiàn)。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

FC節(jié)點(diǎn)機(jī)硬件主要包含F(xiàn)PGA、存儲(chǔ)器電路、電源電路、時(shí)鐘電路及復(fù)位電路等，其原理設(shè)計(jì)如圖1所示。

FPGA選用某公司生產(chǎn)的K系列可編程邏輯器件，該器件內(nèi)部集成了BRAM、邏輯單元、CMT及GTX等資源，支持各種高速接口。

SRIO接口節(jié)點(diǎn)機(jī)以FPGA為核心處理單元，外圍電路主要提供電源、時(shí)鐘、復(fù)位及存儲(chǔ)功能，用于FPGA工作所需的各檔電壓、時(shí)鐘、復(fù)位和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)邏輯基于可編程邏輯器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)外部SRIO接口及FC接口的高速數(shù)據(jù)收發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。內(nèi)部集成軟核，構(gòu)建嵌入式片上系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)控制及用戶指令解析等對(duì)數(shù)據(jù)處理能力要求不高的業(yè)務(wù)。節(jié)點(diǎn)機(jī)邏輯功能框架如圖2所示。

基于軟核的片上可編程系統(tǒng)通過AXI總線將各個(gè)功能組件或外設(shè)進(jìn)行交聯(lián)。通過編寫相應(yīng)的執(zhí)行固件，用于實(shí)現(xiàn)SRIO接口配置、FC節(jié)點(diǎn)機(jī)管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換控制、存儲(chǔ)器管理等。以軟核為處理器的片內(nèi)控制系統(tǒng)連接見圖3所示。

SRIO接口至FC網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示，節(jié)點(diǎn)機(jī)通過SRIO主機(jī)接口獲取用戶指令，由節(jié)點(diǎn)機(jī)DMA控制器在主機(jī)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后發(fā)起DMA讀操作，將待發(fā)送數(shù)據(jù)搬移至FPGA片內(nèi)緩沖區(qū)。

協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)SRIO數(shù)據(jù)與FC協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)發(fā)，F(xiàn)C端口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議采用FC-AE-ASM，主機(jī)發(fā)送的SRIO數(shù)據(jù)按照ASM消息封裝規(guī)則轉(zhuǎn)換為ASM單幀消息或流消息，發(fā)送至FC發(fā)送端口實(shí)施發(fā)送。

FC數(shù)據(jù)發(fā)送支持ASM消息發(fā)送以及FC-ELS消息發(fā)送，其中ASM消息來源于SRIO發(fā)送的數(shù)據(jù)，ELS消息來源于軟核發(fā)送的協(xié)議控制類數(shù)據(jù)。

FC網(wǎng)絡(luò)接口至SRIO接口數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖5所示，F(xiàn)C接口各通道MAC支持ASM及FC-ELS消息接收。FC接口組件依據(jù)輸入FC幀類型區(qū)分ASM消息及FC-ELS消息實(shí)施數(shù)據(jù)分流，其中ASM消息經(jīng)片內(nèi)緩沖處理后發(fā)送至協(xié)議轉(zhuǎn)換單元實(shí)施協(xié)議轉(zhuǎn)換，F(xiàn)C-ELS消息則發(fā)送至軟核進(jìn)行分析處理。

FC-MAC接收后的數(shù)據(jù)交由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元處理，在協(xié)議轉(zhuǎn)換控制單元干預(yù)下，將ASM消息單幀數(shù)據(jù)以流水方式轉(zhuǎn)換為SRIO數(shù)據(jù)塊，節(jié)點(diǎn)機(jī)向主機(jī)發(fā)起DMA請(qǐng)求前，將數(shù)據(jù)放置在指定的緩沖區(qū)中，SRIO接口的數(shù)據(jù)接收對(duì)象以單個(gè)ASM消息為單位進(jìn)行搬移和重組，數(shù)據(jù)搬移后，向主機(jī)發(fā)出門鈴，完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

基于軟核及邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)，軟件主要分兩部分：駐留在節(jié)點(diǎn)機(jī)中的固件及駐留在主機(jī)處理器的驅(qū)動(dòng)軟件。固件通過SRIO和FC接口接收命令和數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)命令，協(xié)助FPGA完成SRIO及FC接口配置、協(xié)議轉(zhuǎn)換控制及存儲(chǔ)資源訪問等功能。

3 FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的驗(yàn)證

為驗(yàn)證FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的各項(xiàng)功能，構(gòu)建兩種典型的驗(yàn)證環(huán)境：FC節(jié)點(diǎn)機(jī)對(duì)傳通信和分系統(tǒng)環(huán)境下通信。對(duì)節(jié)點(diǎn)機(jī)進(jìn)行了主機(jī)接口命令解析、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信等功能的測(cè)試。在節(jié)點(diǎn)機(jī)中設(shè)計(jì)兩種業(yè)務(wù)流的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行通信，監(jiān)控設(shè)備捕獲節(jié)點(diǎn)機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)幀，查看FC消息，根據(jù)數(shù)據(jù)解析出的目的MAC地址、源MAC地址、負(fù)載數(shù)據(jù)等信息，驗(yàn)證了FC節(jié)點(diǎn)機(jī)依據(jù)配置進(jìn)行正確協(xié)議轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)收發(fā)。通過檢查接收節(jié)點(diǎn)機(jī)收到的數(shù)據(jù)內(nèi)容以及其處理過程，驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)機(jī)的功能。

4 結(jié)論

本文主要研究了SRIO接口的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，提出了使用軟核和可編程邏輯結(jié)合的節(jié)點(diǎn)機(jī)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)，搭建了點(diǎn)到點(diǎn)拓?fù)涞臋C(jī)載網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)節(jié)點(diǎn)機(jī)的接口指令、協(xié)議轉(zhuǎn)換及高速數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的SRIO接口FC節(jié)點(diǎn)機(jī)能夠很好地滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和用戶應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李攀，田澤，蔡葉芳，等.FC-AE-ASM協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2017，39（2）：280-284.

[2] 張健，林錫龍，謝江波.CPS1432交換芯片的串行RapidIO互連技術(shù)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（12）：31-34.

【通聯(lián)編輯：代影】