摘 要:接口適配器是通信傳輸系統(tǒng)的一個重要組成部分，它的效率直接關(guān)系通信效率。但隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖接口適配器并未一同迅速發(fā)展，可以說，光纖接口適配已經(jīng)成了光纖通信系統(tǒng)發(fā)展的瓶頸。主要介紹光纖通道接口適配器的組合實現(xiàn)過程，該過程包含對FC協(xié)議的分析與理解、具體的VC軟件編寫、上位機與FPGA相結(jié)合，實現(xiàn)FC協(xié)議下的接口適配器功能。

關(guān)鍵詞:FC; 接口適配器; FPGA; 軟件流程

中圖分類號:TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0042-03

Research and Implementation of Fiber Interface Adapter

MA Yin-ping， XUAN Liang-liang

(Nanchang Hangkong University， Nanchang 330063， China)

Abstract: The interface adapter that is relative to the communication efficiency of a communication system is an important component of a communication transmission system. As a matter of fact， the optical fiber interface adapter is not rapidly developed along with the development of the fiber communication technology. That is， the fiber interface adaption has already become a bottleneck of the fiber communication system development. The assembly process of the fiber channel interface adapter is elaborated. This process includes the analysis and understanding of FC protocol， design of VC software， combination of PC and FPGA， and function implementation of interface adapter under FC protocol.

Keywords: FC; interface adapter; FPGA; software flow

0 引 言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和科技的快速進(jìn)步，近幾年，光纖通信技術(shù)應(yīng)運而生并快速成長。根據(jù)摩爾定律，CPU的處理速度每18個月翻一番。而光纖通信的傳輸帶寬每9個月就增加一倍，而成本降低一半。同時全球因特網(wǎng)流量每6個月就翻一番。作為當(dāng)代通信領(lǐng)域的支柱技術(shù)，光纖通信正以每10年速率增長100倍的速度發(fā)展。其總的發(fā)展趨勢是速率越來越塊，可靠性越來越高，提供的業(yè)務(wù)種類越來越多。

隨著存儲技術(shù)的迅速發(fā)展，存儲容量得到了迅速的增長，存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度成為了主要的瓶頸。光纖的傳輸具有其速度上的優(yōu)勢，然而，在光纖傳輸要受到光纖通道接口的限制，因此光纖通道應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€關(guān)鍵技術(shù)問題是接口的設(shè)計問題，本文對有效地解決高數(shù)據(jù)傳輸在接口處的瓶頸具有現(xiàn)實意義。

1 方案設(shè)計

完整的實現(xiàn)要包含PC機軟件編程、Virtex-5開發(fā)板的底層鏈路實現(xiàn)。PC機的軟件編寫主要實現(xiàn)鏈路的創(chuàng)建注銷控制、數(shù)據(jù)的組幀、數(shù)據(jù)的傳輸控制、傳輸過程中的顯示;Virtex-5開發(fā)板主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈路貫通、支持上位機所定義的幀結(jié)構(gòu)的傳輸過程。

如圖1所示，接口適配器功能實現(xiàn)過程主要包含協(xié)議的正確理解，按照協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織、具體的實現(xiàn)模塊的設(shè)計與編寫、結(jié)合Virtex-5底層鏈路的貫通實現(xiàn)光纖通信接口適配器功能。

圖1 接口適配器功能實現(xiàn)過程

2 設(shè)計的具體實現(xiàn)

2.1 協(xié)議的分析與與裁剪

針對不同的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)當(dāng)對FC協(xié)議[1]進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，盡可能地有效利用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FC協(xié)議是一個具有五層組成的協(xié)議體系。包括:FC-0層、FC-1層、FC-2層、FC-3層、FC-4層。

各層的功能分別為:

(1) FC-0:主要規(guī)定了物理接口，包含傳輸介質(zhì)，收發(fā)器及接口等。

(2) FC-1:

8 B/10 B編碼;

串化解串;

比特與字同步。

(3) FC-2規(guī)定了光纖通道的傳輸機制:

有序集的檢測與識別;

FC端口狀態(tài)機;

幀的發(fā)送與接收，幀接收時要進(jìn)行有效性檢查;

流量控制;

幀管理;

交換與序列管理;

數(shù)據(jù)幀與響應(yīng);

多播與廣播;

分段與重組;

差錯檢測與回復(fù)。

(4) FC-3:基本鏈路服務(wù);擴展鏈路服務(wù);查詢組。

(5) FC-4:映射上層協(xié)議，本文主要是映射MIL-std-1553B協(xié)議。

2.2 軟件編程中各模塊的代碼的設(shè)計

軟件實現(xiàn)的設(shè)計部分:GUI模塊設(shè)計、設(shè)備抽象層的設(shè)計、任務(wù)處理模塊的設(shè)計、FC的協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計。

(1) GUI部分主要是顯示作用，可以對接口適配器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和界面顯示。

GUI模塊設(shè)計內(nèi)容有:整體界面、鏈路參數(shù)區(qū)、鏈路建立區(qū)、信息顯示區(qū)。

(2) 設(shè)備抽象層的設(shè)計。該部分在于屏蔽下層不同物理設(shè)備間的差異;提供較為簡便的方式，使上層模塊同邏輯進(jìn)行通信。本層需要提供對上層支持的設(shè)備操作接口及在內(nèi)部通過封裝WinDriver驅(qū)動提供的功能接口，實現(xiàn)對上層的功能支持。

(3) 任務(wù)處理模塊的設(shè)計。主要實現(xiàn)對鏈路和數(shù)據(jù)各自的不同的任務(wù)操作情況。鏈路數(shù)據(jù)區(qū)與文件數(shù)據(jù)區(qū)分別需要保存各自的任務(wù)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，另外，它是GUI模塊變更LIST的依據(jù)，從而還需要保存下層協(xié)議所具備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

(4) FC協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計。該部分主要描述任務(wù)發(fā)送協(xié)議與鏈路建立協(xié)議。

① 鏈路建立的注冊過程:

數(shù)據(jù)傳輸前，需要通過注冊建立發(fā)送端與接收端的鏈路。首先，發(fā)送端把待注冊的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端;然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端建立鏈路。若不滿足相關(guān)檢查則終止該次注冊過程。

② 鏈路的注銷過程:

當(dāng)需要注銷鏈路[2]時，首先，發(fā)送端把待注銷的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端;然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端注銷鏈路，若不滿足相關(guān)檢查則終止該次注銷過程。

③ 數(shù)據(jù)傳輸過程:

數(shù)據(jù)傳輸是鏈路建立的根本目的，簡化的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸過程

2.3 Virtex-5開發(fā)板的底層保證

(1) 系統(tǒng)構(gòu)造邏輯設(shè)計主要完成以下幾點功能:

控制PCIE硬核[3]實現(xiàn)與上層軟件交互;對上層傳輸數(shù)據(jù)加CRC校驗;

完成FC鏈路初始化過程;完成FC流控功能;完成FC-2差錯處理;

控制ROCKET I/O 把上層軟件數(shù)據(jù)通過ROCKET I/O 發(fā)送;

控制ROCKET I/O 把接收恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈榆浖?/p>

(2) 邏輯設(shè)計的模塊組成:

底層邏輯控制模塊[4]主要完成FC物理層[5]通信，它主要包括發(fā)送模塊、接收模塊和PCIE控制模塊[6]三部分，每個模塊又根據(jù)功能不同劃分多個子模塊，在PCIE控制模塊中，有一些緩存來存放接收模塊傳送過的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送模塊也會從PCIE控制模塊的緩存中讀取數(shù)據(jù)傳送出去，其原理框圖如圖3所示。

圖3 邏輯控制模塊原理框圖

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

該模塊通過讀取上位機的狀態(tài)信息來發(fā)送不同的信息，當(dāng)ACK使能時，該模塊發(fā)ACK，當(dāng)數(shù)據(jù)使能時，該模塊就發(fā)送固定幀數(shù)[7]的數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)是從緩存中讀取，CRC由該模塊添加?？臻e時就發(fā)送IDLE碼。

數(shù)據(jù)接收模塊

接收模塊包括接收控制模塊、CRC模塊和臨時緩存模塊。主要完成數(shù)據(jù)和鏈路控制幀以及準(zhǔn)備信號的接收，并實現(xiàn)CRC校驗[8]，根據(jù)幀頭來判斷不同類型的數(shù)據(jù)幀或控制幀[7]，并存入緩存中，同時將幀的相關(guān)信息也放入相應(yīng)的緩存中。

PCIE接口控制模塊

該模塊主要根據(jù)PCIE總線[9]上的地址對應(yīng)的寄存器的值，譯碼成相應(yīng)的使能把PCIE總線上數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送buff，ACK發(fā)送buff反之根據(jù)邏輯輸入的使能，譯碼成對應(yīng)的PCIE總線上對應(yīng)地址的對應(yīng)寄存器的值，并把數(shù)據(jù)接收的buff ACK接收buff數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的PCIE地址上。

2.4 最終實現(xiàn)

通過上位機與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，實現(xiàn)了光纖通道接口適配器的高速性。傳輸效果圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸效果圖

3 結(jié) 語

通過上位機與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，模擬并實現(xiàn)了光纖通道在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中接口處的設(shè)計。盡管該設(shè)計是上位機配合FPGA的形式實現(xiàn)，但僅就設(shè)

計思路而言，對于實際開發(fā)光纖通道接口適配器具有一定的借鑒意義。

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