一種低功耗FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)設(shè)計與驗證

武健 武堅 馮思桐

摘要：為滿足機(jī)載系統(tǒng)對FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)總線低功耗的需求，該文設(shè)計并實現(xiàn)了基于SOC芯片的FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)，搭建了模塊級和網(wǎng)絡(luò)級的測試驗證環(huán)境，測試驗證結(jié)果表明該節(jié)點機(jī)符合FC相關(guān)協(xié)議，滿足機(jī)載系統(tǒng)對FC數(shù)據(jù)通信的需求，表現(xiàn)出了良好的可靠性和適應(yīng)性，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：FC;SOC

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0058-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1引言

光纖通道（FC）被廣泛應(yīng)用于航電設(shè)備的互連、通訊等領(lǐng)域。隨著FC網(wǎng)絡(luò)在眾多飛機(jī)中成為標(biāo)配接口，對FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)功耗、體積、重量和國產(chǎn)化的要求也越來越高。傳統(tǒng)的FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)以FPGA為核心，存在功耗及自主可控等問題。為此，本文基于FC協(xié)議處理SOC芯片，開展了FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)的軟硬件設(shè)計，并組建了模塊級和網(wǎng)絡(luò)級的測試環(huán)境，實現(xiàn)了全國產(chǎn)化FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)小型化、低功耗、重量輕的設(shè)計要求，具有很高的應(yīng)用推廣價值。

2 FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)硬件設(shè)計

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)主要由SOC芯片、PCIe主機(jī)接口、時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路及外圍輔助電路實現(xiàn)。FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片

本文使用的是一款支持FC-AE-ASM協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的SoC芯片[1]，提供雙余度速率可配置串行FC鏈路;支持PCI Express1.1協(xié)議，實現(xiàn)與主機(jī)處理器高速通信功能;提供FC時鐘同步功能，包括日歷、網(wǎng)絡(luò)時鐘同步和板級時鐘同步功能;提供片外FLASH和NVRAM存儲器接口，是一款通用化和小型化的通信處理芯片。運(yùn)行時功耗小于1W。

2.2 PCIe主機(jī)接口

PCIe主機(jī)接口支持4X模式，速率為2.5Gbps，支持INTA、MSI消息中斷方式。支持硬件DMA讀寫操作的主動發(fā)起和控制功能。當(dāng)FC接口收到數(shù)據(jù)時，通過DMA寫請求把原先需要從用戶邏輯讀取的數(shù)據(jù)寫入主機(jī)內(nèi)存;用戶邏輯可直接控制DMA引擎;當(dāng)需要從FC接口發(fā)送數(shù)據(jù)時，向主機(jī)存儲器發(fā)出DMA讀請求，處理導(dǎo)致的讀完成，前推讀數(shù)據(jù)到用戶邏輯;保證讀數(shù)據(jù)排序。

2.3 電源電路

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)應(yīng)用于機(jī)載環(huán)境，整個節(jié)點機(jī)工作電源+5V通過與主機(jī)相連的高速連接器提供，使用DC/DC電源芯片部分將5V輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字3.3VD以及數(shù)字1.2VD，LDO電源將3.3VD轉(zhuǎn)換為模擬1.2VA，數(shù)字3.3VD為模塊內(nèi)主要芯片的工作電壓，包括FC協(xié)議處理芯片的I/O電壓、存儲電路、時鐘電路、復(fù)位電路等，數(shù)字1.2VD、模擬1.2VA為FC協(xié)議處理芯片的數(shù)字內(nèi)核電壓及Serdes內(nèi)核電壓。模擬3.3VA為FC協(xié)議處理芯片Serdes接口電壓。通過電源模塊輸出使能端控制各個電源電壓的上電順序，使得供電順序滿足FC協(xié)議處理芯片I/O先上電、內(nèi)核后上電的要求。

2.4 時鐘電路

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)共使用3類時鐘，其中FC協(xié)議處理芯片內(nèi)部處理器使用的40MHz單端時鐘由模塊內(nèi)部單端晶振產(chǎn)生，F(xiàn)C接口的工作時鐘106.25MHz差分時鐘由模塊內(nèi)部差分晶振產(chǎn)生，針對不同的電平接口，需要進(jìn)行額外的電路設(shè)計。PCIe接口的100MHz差分時鐘由主機(jī)通過高速連接器提供。

2.5 存儲電路

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)使用NOR Flash存儲SOC芯片的固件以及FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)FC網(wǎng)絡(luò)通信的配置表數(shù)據(jù)。

2.6 光電收發(fā)器電路

機(jī)載設(shè)備內(nèi)部空間緊湊，為提高FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)的適應(yīng)性，F(xiàn)C網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)對外提供2路FC電接口，在載板上使用具有健康管理功能的光電收發(fā)器進(jìn)行光電裝換以及通過I2C接口讀取光電收發(fā)器內(nèi)部電壓、內(nèi)部溫度、接收/發(fā)送光功率等信息，監(jiān)控光電收發(fā)器以及光路狀態(tài)，提高FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試指標(biāo)。

3 FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)驅(qū)動軟件設(shè)計

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)驅(qū)動軟件運(yùn)行于主機(jī)CPU，通過PCIe總線配置和讀寫事務(wù)實現(xiàn)對FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)硬件的控制和訪問，為主機(jī)CPU上運(yùn)行的應(yīng)用軟件以API接口形式提供服務(wù)，主要包括設(shè)備管理、通信管理、時間管理、網(wǎng)絡(luò)管理、配置維護(hù)，中斷處理等功能。各功能模塊描述如下：

（1）設(shè)備管理模塊實現(xiàn)對FC設(shè)備硬件初始化和控制，具體功能接口包括設(shè)備創(chuàng)建、設(shè)備初始化、設(shè)備工作狀態(tài)查詢、設(shè)備打開、設(shè)備關(guān)閉、設(shè)備復(fù)位等。

（2）通信管理模塊為上層應(yīng)用軟件提供通信服務(wù)支持，允許應(yīng)用軟件發(fā)送和接收事件消息，同時也允許應(yīng)用軟件通過直接內(nèi)存訪問方式進(jìn)行消息通信。

（3）時間管理模塊為應(yīng)用軟件提供時間服務(wù)，涉及日歷時間設(shè)置、系統(tǒng)RTC以及本地RTC的設(shè)置和獲取，是應(yīng)用軟件基于FC網(wǎng)絡(luò)同步時間進(jìn)行任務(wù)系統(tǒng)協(xié)同調(diào)度的基礎(chǔ)。

（4）網(wǎng)絡(luò)管理模塊實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀態(tài)信息收集和維護(hù)，為應(yīng)用軟件提供節(jié)點入網(wǎng)控制，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)查詢等能力。

（5）配置維護(hù)模塊作為內(nèi)部功能單元，用于支持FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置文件的在線維護(hù)。

（6）中斷處理模塊用于中斷例程的注冊和回調(diào)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)硬件上報的事件通過回調(diào)方式上報應(yīng)用軟件。

4 測試驗證

為了測試基于SOC芯片的FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)的功能和性能，搭建了模塊級測試環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)級測試環(huán)境，模塊級測試環(huán)境完成FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)的協(xié)議一致性測試及產(chǎn)品級功能性能測試[2]，網(wǎng)絡(luò)級測試環(huán)境完成網(wǎng)絡(luò)集成驗證[3]及與產(chǎn)品互聯(lián)互通測試。

4.1 模塊級測試

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)模塊級測試環(huán)境如圖2所示。

（1）FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試機(jī)箱與CPU機(jī)箱通過PCIe線纜連接，構(gòu)成FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試工裝。

（2）FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試工裝串口線連接至Nport上，并通過以太網(wǎng)與測試控制臺的主機(jī)相連接。

（3）FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試測試工裝網(wǎng)口線通過Hub連接至測試控制臺的主機(jī)網(wǎng)口。

（4）FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)測試機(jī)箱的光纖線纜與JDSU測試設(shè)備端口互聯(lián)，支持端口自環(huán)測試和端到端模式測試。

（5）JDSU測試設(shè)備可設(shè)置為Analyzer模式或者Load Tester模式，在Analyzer模式時，串入光纖收發(fā)回環(huán)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析完成協(xié)議一致性測試，在Load Tester模式時充當(dāng)N端口節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)控制，完成功能性能測試。

4.2 網(wǎng)絡(luò)級測試

FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)網(wǎng)絡(luò)級測試環(huán)境如圖3所示。

（1）將N個FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接至交換機(jī)對應(yīng)的F端口。

（2）JDSU作為Analyzer可接入網(wǎng)絡(luò)測試點（TP）中任一處進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，作為Load Tester可接至交換機(jī)F端口進(jìn)行數(shù)據(jù)壓力測試。

（3）N個FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接至集線器Hub。

（4）JDSU測試設(shè)備、N個FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過網(wǎng)線連至Hub。

（5）Hub通過網(wǎng)線連至測試控制臺。

依靠模塊級測試環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，對基于SOC芯片的FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)進(jìn)行測試，各個測試項均通過測試，測試結(jié)果見表1所示。

5結(jié)束語

本文基于SOC芯片，設(shè)計了一種FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)，并建立了模塊級、網(wǎng)絡(luò)級測試驗證環(huán)境。測試驗證結(jié)果表明，基于SOC芯片的FC網(wǎng)絡(luò)節(jié)點機(jī)滿足FC協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)及系統(tǒng)應(yīng)用需求，具有功耗低的特點，有較高的推廣應(yīng)用價值用。

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