基于光纖通道數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高潤蓮 ，周 晴

（1.中國科學(xué)院大學(xué)北京100190；2.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京100190）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息時代數(shù)據(jù)量的爆炸增長給存儲傳輸技術(shù)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇，如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全快速遠(yuǎn)距離的存儲、傳輸、管理以及使用成為了現(xiàn)代通信存儲技術(shù)的主要要求。而對于航空航天電子系統(tǒng)而言，也同樣面臨著對數(shù)據(jù)通信在可靠性、數(shù)據(jù)吞吐率、實(shí)時性等方面越來越高的要求，目前光纖通道通信網(wǎng)絡(luò)已成為新一代航空電子系統(tǒng)的主流技術(shù)[1-2]。

光纖通道作為代替現(xiàn)代航空電子總線的網(wǎng)絡(luò)，具有高帶寬、低延遲、拓?fù)潇`活、長距離傳輸，支持多種上層協(xié)議[3]。目前對于光纖通道的研究只要集中于對協(xié)議的研究和協(xié)議框架的設(shè)計(jì)：文獻(xiàn)[4]提出一種基于光纖通道接口通用驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[5]提出光纖通道現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；文獻(xiàn)[6]提出光纖通道與MIL-STD-1553協(xié)議兼容性設(shè)計(jì)方案；文獻(xiàn)[7]提出一種光纖通道協(xié)議分析與接口卡設(shè)計(jì)方案。

文中主要講述基于光纖通道FC-AE-1553協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以及各模塊作用進(jìn)行說明。采用Xilinx的Virtex-4實(shí)現(xiàn)FC-0、FC-1以及部分的FC-2層的功能，通過上板調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸通信，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)方案可行。

1 光纖通道協(xié)議架構(gòu)及幀結(jié)構(gòu)

光纖通道 OSI（OpenSystem Inter-connection）模型分為5層[8-9]，分為兩個部分：物理和信號層，上層協(xié)議層，如圖1所示。物理和信號層包括FC-0，F(xiàn)C-1，F(xiàn)C-2層，上層協(xié)議層包括FC-3，F(xiàn)C-4層。其中物理層由傳輸介質(zhì)、發(fā)送機(jī)和接收機(jī)及其接口組成；編碼層采用8B/10B編碼；協(xié)議層規(guī)定了端到端數(shù)據(jù)塊的傳輸機(jī)制；通用服務(wù)層提供了一組對FC節(jié)點(diǎn)上的多個N端口通用的服務(wù)。FC提供支持多種ULP（Upper Layer Protocal）的方法。

光纖通道協(xié)議規(guī)定在光纖通道中傳輸?shù)?個級別的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：交換，序列和幀。交換是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡邔樱淮谓粨Q表示兩個節(jié)點(diǎn)之間的一次信息交互過程，可包含一個或多個序列的傳輸。序列是一個數(shù)據(jù)報(bào)或者分組，一個序列可以包含一個或多個幀。幀是網(wǎng)絡(luò)中兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互的基本數(shù)據(jù)單元。FC-AE-1553幀格式由一個SOF、幀內(nèi)容和EOF組成[10-11]。幀內(nèi)容包括幀頭、0-2112字節(jié)數(shù)據(jù)字段和32位CRC校驗(yàn)碼。另外，光纖通道定義了3種服務(wù)類[12]。這些服務(wù)類按N端口間通信回路的配置和保持方法，以及系統(tǒng)的傳輸完整性要求來區(qū)分：第1類服務(wù)是建立專用連接的服務(wù)。這類服務(wù)通過在兩個N端口間建立連接，保證獲得最大帶寬；第2類服務(wù)是一種按幀大小傳輸?shù)摹в薪粨Q網(wǎng)多路復(fù)用幀的無連接服務(wù)。如果沒有交換網(wǎng)，則這種服務(wù)就變成一種特殊的點(diǎn)對點(diǎn)服務(wù)。在沒有鏈路錯誤時，交換網(wǎng)能保證給出交付成功或交付失敗的通知；第3類服務(wù)是一種按幀大小傳輸?shù)?、帶有交換網(wǎng)多路復(fù)用幀的無連接服務(wù)。第3類服務(wù)只支持無確認(rèn)幀的交付。其中目的N端口在收到有效數(shù)據(jù)幀時不發(fā)送任何確認(rèn)鏈路控制幀，所有確認(rèn)都是由ULP確定和實(shí)現(xiàn)的。為了數(shù)據(jù)的快速傳輸，本論文采用第3類服務(wù)，只支持無確認(rèn)幀的交付，目的N端口在收到有效數(shù)據(jù)幀時不發(fā)送任何確認(rèn)鏈路控制幀。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本方案是針對1.062 5 Gbps的光纖速率設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。該系統(tǒng)主要由發(fā)送緩存、接收緩存、發(fā)送模塊、接收模塊、端口狀態(tài)機(jī)、流量控制模塊和光模塊組成，除光模塊以外的其他模塊都由FPGA完成。本方案FPGA采用Xilinx公司Virtex-4系列的XC4VFX60芯片，該芯片包含16個RocketIO模塊。RocketIO為622 Mb/s到6.5 Gb/s波特率的全雙工串行收發(fā)器[13]，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速串行傳輸。光模塊采用Eoptolink公司的EOLP-1380-10芯片，該芯片支持1.062 5 Gbps到8.5 Gbps的數(shù)據(jù)傳輸。參考時鐘來自外部晶振，選用的是泰藝公司的OT-M-212.5M的差分晶振，輸出波形為方波，輸出電壓為3.3 V。

圖1 光纖通訊控制FPGA

3 系統(tǒng)各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由發(fā)送模塊、接收模塊、端口狀態(tài)機(jī)、流量控制模塊、RocketIO和光模塊組成。發(fā)送模塊完成組幀、CRC校驗(yàn)、8b/10b編碼等功能；接收模塊完成逗號檢測、8b/10b解碼、解幀等功能；端口狀態(tài)機(jī)完成鏈路狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換功能；流量控制模塊完成兩端口之間流量的控制；光模塊實(shí)現(xiàn)電信號與光信號的相互轉(zhuǎn)換，通過光纖傳輸光信號。

3.1 發(fā)送模塊

發(fā)送模塊具體框圖如圖2所示。Tx_buffer通過FIFO實(shí)現(xiàn)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)輸入到發(fā)送緩存，通過Tx_control模塊來確定端口此時處于發(fā)送數(shù)據(jù)幀、原語序列還是原語信號的狀態(tài)。其中原語序列來自端口狀態(tài)機(jī)，原語信號來自流量控制模塊，幀內(nèi)容來自發(fā)送緩存。當(dāng)端口狀態(tài)機(jī)處于激活狀態(tài)時，Tx_control模塊控制Tx_buffer的讀使能（rd_en）有效，從而將數(shù)據(jù)從Tx_buffer中讀出；CRC32模塊用來計(jì)算數(shù)據(jù)的校驗(yàn)碼，采用32位數(shù)據(jù)并行校驗(yàn)的方法[14]；EOF_Polarity模塊用來計(jì)算數(shù)據(jù)幀結(jié)尾的RD值，從而確定EOF的值；Tx_SOF_Select模塊用來確定SOF的值，不同的服務(wù)類型SOF的值不同。Tx_control將數(shù)據(jù)組幀，幀格式如圖2所示。Demux_32to8模塊將32位的數(shù)據(jù)解復(fù)用為8位串行數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b編碼，將編碼后的值送入RocketIO進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。

3.2 接收模塊

接收模塊具體框圖如圖3所示。接收到的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過RocketIO的串并轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)后，通過Decoder_10b/8b模塊進(jìn)行解碼，解碼得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過復(fù)用（Mux_8to32）之后送入原語檢測模塊（Prim_check）和字同步模塊（Word_syn）。Prim_check模塊的主要功能檢測接收到的數(shù)據(jù)是原語信號、原語序列還是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而送到相應(yīng)模塊進(jìn)行處理，其中原語信號送到流量控制模塊，原語序列送到端口狀態(tài)機(jī)模塊，而傳輸數(shù)據(jù)送到CRC校驗(yàn)?zāi)K（Calibration_crc32）和接收緩存模塊（rx_buffer）。另外通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的幀起始與結(jié)束標(biāo)識符，判斷數(shù)據(jù)幀是否完整及數(shù)據(jù)幀的長度。Calibration_crc32模塊主要負(fù)責(zé)為將接收的數(shù)據(jù)（不包括SOF和EOF）進(jìn)行CRC校驗(yàn)，從而判斷數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯誤。rx_buffer模塊負(fù)責(zé)緩存接收到的數(shù)據(jù)幀（包括SOF和EOF），通過Rx_control模塊來控制數(shù)據(jù)幀的寫入。Word_syn模塊負(fù)責(zé)判斷硬件模塊是否字同步，如果接收端接收到的位流的傳輸字與發(fā)送端發(fā)送的傳輸字一樣，那么應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳輸字同步，條件滿足時進(jìn)入同步獲取狀態(tài)，從而使端口狀態(tài)機(jī)（PSM）一直處于激活狀態(tài)。State_Register模塊主要功能是記錄每一幀數(shù)據(jù)幀的長度以及對應(yīng)的錯誤類型（如果傳輸過程中出現(xiàn)錯誤），主要包括無效傳輸字、CRC校驗(yàn)錯誤、無效EOF、數(shù)據(jù)幀不完整及幀長度溢出這幾種錯誤。

圖2 發(fā)送模塊框圖

圖3 接收模塊框圖

3.3 端口狀態(tài)機(jī)

根據(jù)FC-AE-1553協(xié)議規(guī)定，在端口進(jìn)行正常通信之前，端口狀態(tài)機(jī)要處于激活狀態(tài)。協(xié)議定義了一系列的原語序列用于表示端口狀態(tài)，并且詳細(xì)敘述了端口狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法。原語序列是一個連續(xù)重復(fù)發(fā)送的有序集，若端口遇到了特殊情況，或一個端口的接收機(jī)邏輯碰到了特定的條件，就發(fā)送原語序列。如圖4為端口狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖[15]。當(dāng)端口上電或復(fù)位后，處于未激活狀態(tài)，需要通過光纖協(xié)議定義的握手機(jī)制恢復(fù)到激活（上線）狀態(tài)。光纖通道協(xié)議規(guī)定使用的原語序列協(xié)議有3種，分別為：鏈路初始化協(xié)議、鏈路失效協(xié)議和鏈路復(fù)位協(xié)議[16]。當(dāng)端口檢測到同步丟失時間超過R_T_TOV，或不在離線狀態(tài)時檢測到信號丟失時，端口應(yīng)執(zhí)行鏈路失效協(xié)議。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：1）當(dāng)A端口中存在鏈路失效條件時，端口應(yīng)發(fā)送NOS（Not Operational Primitive Sequence）并進(jìn)入NOS發(fā)送狀態(tài)；2）B端口接收到NOS時，進(jìn)入NOS接收狀態(tài)，發(fā)送OLS（Offline Primitive Sequence）；3）A端口接收到OLS，進(jìn)入OLS接收狀態(tài)，發(fā)送LR（Link Reset Primitive Sequence）；4）B端口接收到LR時，進(jìn)入LR接收狀態(tài) ，發(fā) 送 LRR（ Link Reset Response Primitive Sequence）；5）A端口接收到LRR時，進(jìn)入LRR接收狀態(tài)，發(fā)送 IDLE（Idle Word）；6）B端口接收到IDLE時，退出LR接收狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)，A端口在接收到IDLE時，也退出LRR接收狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)。同理，鏈路初始化協(xié)議和鏈路復(fù)位協(xié)議執(zhí)行過程如圖5所示。圖5為這3個原語序列的恢復(fù)過程和層次，通過這3層結(jié)構(gòu)端口可以最后達(dá)到激活狀態(tài)[17]，從而確保端口之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖4 端口狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖5 鏈路恢復(fù)協(xié)議的3層結(jié)構(gòu)

3.4 流量控制模塊

流量控制是FC-2層的控制過程，用于跟蹤N端口之間、N端口與交換網(wǎng)之間幀的傳輸。流控制分為端到端流控制和緩沖區(qū)到緩沖區(qū)流控制。本論文使用第3類幀，只使用緩沖區(qū)到緩沖區(qū)流控制。緩沖區(qū)到緩沖區(qū)流量控制管理見表1所示[9]。信用是分配給傳輸端口的接收緩沖區(qū)的數(shù)量。信用計(jì)數(shù)由序列啟動方進(jìn)行管理。首先確定對方的信用即對方可以接收多少幀數(shù)據(jù)。每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)信用計(jì)數(shù)（Credit_CNT）加1，直到加到信用規(guī)定的最大值為止。在這種情況下，信用計(jì)數(shù)代表序列接收方還沒有確認(rèn)的重要數(shù)據(jù)幀的數(shù)目。當(dāng)序列啟動方接收到來自接收方的

R_RDY（32’hbc954a4a）信號時，信用計(jì)數(shù)減 1，序列啟動方可繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

表1 緩沖區(qū)到緩沖區(qū)流量控制管理

3.5 RocketIO收發(fā)器

收發(fā)器的工作原理是發(fā)送端按照一定的計(jì)算規(guī)則產(chǎn)生的CRC校驗(yàn)碼被插入到準(zhǔn)備發(fā)送的并行數(shù)據(jù)中，經(jīng)過8B/10B編碼（8B/10B編碼可根據(jù)需要選擇），寫入發(fā)送FIFO，然后將其轉(zhuǎn)換成差分信號發(fā)送出去[18]。接收端通過接收器接收串行差分信號，在時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)電路的作用下，從串行數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出時鐘信號，該時鐘信號用于串/并轉(zhuǎn)換，在comma檢測和對齊模塊的作用下，將數(shù)據(jù)對齊進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，輸出的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過8B/10B解碼（可根據(jù)需要選擇，與發(fā)送端選擇一致），依據(jù)需要用彈性緩沖器實(shí)現(xiàn)通道綁定和時鐘修正，經(jīng)過CRC模塊校驗(yàn)后并行輸出。本方案中只使用RocketIO中的PMA（physical media attachment）部分。

4 仿真結(jié)果

本論文對光纖通道數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)光纖通訊控制FPGA進(jìn)行仿真，通過chipscope抓取波形如圖6所示，tx2_top_module模塊的frame_out表示發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，rx2_module模塊的frame_in為接收端接收到的數(shù)據(jù)幀。由圖6（a）可以看出，當(dāng)有一幀數(shù)據(jù)從接收FIFO取出后，接收端發(fā)送原語信號R_RDY進(jìn)行原語控制。圖（b）（c）為圖（a）放大后的時序圖，可以看出接收端接收到的數(shù)據(jù)幀與發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀完全相同，數(shù)據(jù)幀由幀頭、數(shù)據(jù)、CRC和幀尾組成。32’hbc95b5b5為空閑信號，每一幀數(shù)據(jù)之間必須有5個以上的空閑信號。當(dāng)接收到原語信號R_RDY（32’hbc954a4a） 時 ，信 用 量 計(jì) 數(shù)credit_cnt_reg減1；當(dāng)發(fā)送端每發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，信用量計(jì)數(shù)credit_cnt_reg加1。通過上板調(diào)試表明數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)功能正確，沒有出現(xiàn)丟幀或錯誤的現(xiàn)象，串行時鐘頻率達(dá)到1.062 5 Gb/s。

5 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于光纖通道數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)，完成了FC-AE-1553協(xié)議的FC-0、FC-1和部分FC-2層的功能，通過使用RocketIO使數(shù)據(jù)串行傳輸速率達(dá)到1.062 5 Gb/s，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。與傳統(tǒng)1553B總線協(xié)議1 Mb的傳輸速率[19]相比較，在速度上有質(zhì)的提高。

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圖6 數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)對比圖

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