李　攀，田文娟，李　娟，黎小玉

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

FC協(xié)議處理芯片設計與實現(xiàn)*

李攀1，2，田文娟3，李娟3，黎小玉1，2

(1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安 710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安 710068)

在深入研究及分析FC網(wǎng)絡協(xié)議的基礎上，提出了一種采用數(shù)?；旌蟂oC設計技術實現(xiàn)FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的研制方案，詳細說明了芯片的架構設計、工作原理及技術優(yōu)勢。該芯片內(nèi)嵌微處理器、FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎、高速串并轉換SerDes、PCIe/RapidIO主機接口，與主機處理器配合可完成 FC設備管理、通信管理、時鐘同步、網(wǎng)絡管理等功能；提供片外存儲器接口以及JTAG等調(diào)試接口。經(jīng)過多層次、多角度驗證表明，該芯片功能、性能穩(wěn)定，可大大減小系統(tǒng)功耗及體積，提高系統(tǒng)集成度。

FC；SoC；FC-AE-ASM

0　引言

FC網(wǎng)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(wǎng)絡、存儲和數(shù)據(jù)傳輸領域，并成為我國新一代飛機航電系統(tǒng)通信網(wǎng)絡首選[1]。根據(jù)國際航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和國內(nèi)對航電系統(tǒng)研究論證的結果，我國采用基于交換架構的FC光纖通道網(wǎng)絡作為新一代飛機航空電子系統(tǒng)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡，并選用光纖通道航空電子環(huán)境匿名簽署消息(Fibred Channel Avionic Environment Anonymous Subscriber Messaging，F(xiàn)C-AE-ASM)協(xié)議作為航電系統(tǒng)間的通信標準[2]。

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

1　研制總體思路

首先全面解讀和正確分析FC網(wǎng)絡協(xié)議及標準，探索有效實現(xiàn)FC協(xié)議技術方法和途徑，經(jīng)過反復的理論分析和仿真、驗證，突破FC協(xié)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(xiàn)等關鍵技術，開發(fā) FC協(xié)議處理關鍵 IP，研制高速 SerDes電路，構建芯片F(xiàn)PGA原型，并在多個系統(tǒng)中進行大量的應用驗證和優(yōu)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(tǒng)需求，完成 FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的定義、體系結構設計及優(yōu)化；采用軟硬件協(xié)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(xié)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(xié)議處理芯片開發(fā)配套驅動軟件，為自主知識產(chǎn)權的機載FC網(wǎng)絡開發(fā)提供核心芯片及基礎軟件。

2　設計與實現(xiàn)

2.1芯片功能

通過對FC網(wǎng)絡協(xié)議全面解讀與分析，確定使用光電轉換器和 SerDes收發(fā)器模擬電路實現(xiàn) FC-0層和FC-1層的功能，F(xiàn)C協(xié)議處理器數(shù)字電路實現(xiàn) FC-2層到FC-4層的全部功能。如圖1所示。

圖1　FC協(xié)議分層模型圖

通過對協(xié)議分層模型的反復理論分析，采用軟硬件協(xié)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(xiàn)、其他用軟件實現(xiàn)的原則。研制核心FC-MAC IP核完成 FC-1、FC-2層協(xié)議的 8b/10b編解碼[5]、流量控制、FC-FS協(xié)議[7-8]核心端口狀態(tài)機等功能；研制核心FC-AE-ASM協(xié)議處理核心 IP，完成 FC-4層中 FCAE-ASM協(xié)議中明確規(guī)定的對數(shù)據(jù)流分包和重組、組幀等內(nèi)容。結合FC-AE-ASM節(jié)點機的功能及性能需求，提出FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的主要功能如下：

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

(2)FC-FS協(xié)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(tǒng)計信息收集。

(3)集成FC-AE-ASM協(xié)議處理引擎：FC-AE-ASM協(xié)議通信處理功能；FC網(wǎng)絡系統(tǒng)時統(tǒng)功能；FC網(wǎng)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(nèi)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(diào)試接口。

2.2芯片架構設計

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

FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片提供 ASM協(xié)議處理功能，其工作原理如下：

(1)發(fā)送數(shù)據(jù)時，由主機在內(nèi)存中按 ASM消息格式準備消息，之后啟動消息發(fā)送；主機接口DMA將數(shù)據(jù)從主機內(nèi)存的消息發(fā)送緩沖區(qū)中搬移到片內(nèi)幀緩沖；發(fā)送控制模塊將數(shù)據(jù)輸出到 SerDes模塊，SerDes模塊將輸入的并行數(shù)據(jù)流轉換成2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的高速串行數(shù)據(jù)流輸出到片外；

(2)接收數(shù)據(jù)時，SerDes模塊將2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的片外串行輸入數(shù)據(jù)流轉換為并行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)搬移到FC接收緩沖區(qū)，再將其搬移到片內(nèi)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(qū)狀態(tài)，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(shù)據(jù)幀從片內(nèi)消息幀緩沖搬移到主機內(nèi)存的接收緩沖區(qū)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(fā)中斷給主機。

FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片提供ELS幀實現(xiàn)網(wǎng)絡管理功能，其工作原理如下：

(1)發(fā)送ELS幀時，片上處理器按照ELS幀格式組幀，并寫入ELS幀發(fā)送緩沖，啟動發(fā)送，由發(fā)送控制模塊將要發(fā)送的幀從ELS發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)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(shù)據(jù)流轉換串行數(shù)據(jù)輸出。

(2)接收ELS幀時，SerDes模塊將接收到的串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)流；FC MAC控制器將SerDes輸出的并行數(shù)據(jù)轉換為32位的數(shù)據(jù)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(qū)，更新接收頭指針，交由片上處理器處理。

圖2　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片系統(tǒng)架構

2.2.1硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)架構設計得出硬件系統(tǒng)，包括FC-AE-ASM協(xié)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(xié)議處理模塊支持256個非數(shù)據(jù)塊消息和16個數(shù)據(jù)塊消息的收發(fā)控制，支持ELS幀的收發(fā)，提供網(wǎng)絡管理硬件支持，具備信息交互區(qū)及命令交互寄存器，用于主機與片上處理器之間交互網(wǎng)絡管理信息數(shù)據(jù)，設備控制處理功能(包括設備軟復位、ASM數(shù)據(jù)收發(fā)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(wǎng)絡系統(tǒng)時統(tǒng)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(xié)議轉換和數(shù)據(jù)高速傳輸。該PCIe主機接口由PCIe協(xié)議處理模塊和DMA模塊兩部分組成。PCIe協(xié)議處理模塊實現(xiàn)了協(xié)議規(guī)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(tài)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(xiàn)邏輯及傳輸層協(xié)議包括負責事務組包、拆包等功能)、物理層模塊(實現(xiàn)物理層協(xié)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(xiàn)各層寄存器)、時鐘及復位模塊、應用模塊(實現(xiàn)DMA、門鈴操作以及片內(nèi)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(shù)據(jù)的時序轉換。

PPC460嵌入式處理器提供強大的數(shù)據(jù)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(fā)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(diào)試接口等。

2.2.2軟件設計

FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的相關軟件為各個系統(tǒng)提供使用FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片實現(xiàn)FC網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁PI接口。該軟件主要分為：(1)運行在宿主機上由用戶程序調(diào)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-AEASM協(xié)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(xié)議處理軟件的核心部件為FC-AEASM接口軟件，包含 FC-AE-ASM協(xié)議通信功能、設備管理功能、時統(tǒng)管理功能、網(wǎng)絡管理功能。實現(xiàn)結構框圖如圖3所示。

圖3　FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片功能實現(xiàn)結構框圖

FC-AE-ASM接口軟件功能如下：

(1)FC-AE-ASM協(xié)議通信功能。實現(xiàn)對ASM消息處理程序的注冊、注銷，通信表的加載和卸載，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議非數(shù)據(jù)塊消息的封裝，ASM協(xié)議通信的啟動、停止控制，ASM消息的發(fā)送、接收控制等。航電應用通過調(diào)用ASM通信接口實現(xiàn)不同硬件模塊之間的數(shù)據(jù)通信交互；

(2)網(wǎng)絡管理功能。實現(xiàn)網(wǎng)絡初始化控制，網(wǎng)絡系統(tǒng)管理器控制權爭奪控制。網(wǎng)絡系統(tǒng)運行結構控制，網(wǎng)絡上/下線管理（linkup/linkdown），網(wǎng)絡上/下網(wǎng)控制(online/offline)，網(wǎng)絡系統(tǒng)健康監(jiān)控，網(wǎng)絡時統(tǒng)控制，網(wǎng)絡配置數(shù)據(jù)加載及固化。航電應用系統(tǒng)管理通過調(diào)用網(wǎng)絡管理接口實現(xiàn)對FC網(wǎng)絡運行狀態(tài)的控制及管理；

(3)設備管理功能。實現(xiàn)設備的打開、關閉，設備軟復位，設備自測試，設備狀態(tài)獲取，軟件版本獲取。航電應用系統(tǒng)管理通過調(diào)用設備管理接口實現(xiàn)對FC網(wǎng)絡設備的管理功能；

(4)時統(tǒng)管理功能。提供一組網(wǎng)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(tǒng) RTC設置、任務系統(tǒng) RTC獲取、任務系統(tǒng)同步監(jiān)控門限設置、網(wǎng)絡日歷信息設置以及網(wǎng)絡日歷信息獲取功能。

2.3物理設計與實現(xiàn)

FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片設計規(guī)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(xié)議處理芯片的流片制造采用 SMIC 0.13 μm Logic工藝，內(nèi)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(jù)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(guī)范，依據(jù)測試規(guī)范對芯片進行芯片級及系統(tǒng)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(nèi)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(xié)議符合性測試及芯片的環(huán)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(tǒng)級的應用驗證。具體實施如圖4所示。

圖4　芯片驗證策劃示意圖

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(fā)測試程序807項。

2.5.3驗證結果

經(jīng)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(xié)議符合FC-FS、FC-PI協(xié)議要求。系統(tǒng)應用測試功能、性能滿足系統(tǒng)應用需求，滿足環(huán)境適應性設計需求。主要指標驗證結果如表1所示。

表1　FC協(xié)議處理芯片主要驗證結果

3　技術優(yōu)勢

市場上存在的一些FC網(wǎng)絡產(chǎn)品大多都采用FPGA或ASIC方式實現(xiàn)，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(tǒng)小型化、高可靠性的要求。

與市場上的FC網(wǎng)絡產(chǎn)品相比，F(xiàn)C協(xié)議處理核心芯片符合系統(tǒng)小型化、低功耗、高性能、高可靠性、高度綜合、復雜惡劣環(huán)境等應用要求。

以基于該芯片研制的PMC卡和市場上同類產(chǎn)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(chǎn)品相比顯著提高了功能、性能、可靠性及FC核心產(chǎn)品的自主保障能力。

表2　兩種實現(xiàn)方案主要指標對比

4　總結

本文針對機載航電系統(tǒng)對FC總線網(wǎng)絡的應用需求，以及我國在FC網(wǎng)絡產(chǎn)品方面受制于人、系統(tǒng)功耗大、維護成本高的現(xiàn)狀，提出了一種采用SoC技術實現(xiàn)FC-AE-ASM協(xié)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(xiàn)已成功應用在多個系統(tǒng)中。應用結果表明，該芯片符合協(xié)議、系統(tǒng)等的要求。該芯片的研制體系性地解決了制約我國FC網(wǎng)絡發(fā)展的關鍵及瓶頸，填補了國內(nèi)空白，實現(xiàn)了我國FC通信網(wǎng)絡研制核心器件的自主保障和自主發(fā)展。

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[9]ANSI Fiber Channel Framing and Signaling-2(FC-FS-2)，Rev0.01[M].US：ANSI，2003.

The design and realization of FC protocol processing chip

Li Pan1，2，Tian Wenjuan3，Li Juan3，Li Xiaoyu1，2
(1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China；2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China；3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China)

On the basis of in-depth study and analysis of the FC network protocol,this paper proposes development scheme which adopts to a mixed-signal SoC design technology realize the FC-AE-ASM protocol processing chip,details the chip architecture design,working principle and technical advantages.The chip was embedded microprocessors,FC-AE-ASM protocol processing engine, high speed switching string and SerDes,PCIe/RapidIO host interface,cooperating with the host processor can complete FC equipment management,communication management,clock synchronization,network management,and other functions and provides external memory interface and the JTAG debug interface.After a multi-angle validation show,the chip function,stable performance can greatly reduce the power consumption of the system,reduce the system volume,improve the system integration.

FC；SoC；FC-AE-ASM

V243.1

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.038

航空科學基金（2015ZC51036）；中國航空工業(yè)集團公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

（2016-08-10）

李攀（1981-），男，碩士，工程師，主要研究方向：SoC設計、嵌入式系統(tǒng)設計。

田文娟（1989-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

李娟（1987-），女，本科，助理工程師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)。

黎小玉（1983-），女，碩士，高級工程師，主要研究方向：SoC設計、驗證及嵌入式系統(tǒng)設計。

中文引用格式：李攀，田文娟，李娟，等.FC協(xié)議處理芯片設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2016，42(9)：147-151.

英文引用格式：Li Pan，Tian Wenjuan，Li Juan，et al.The design and realization of FC protocol processing chip[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：147-151.