(1.中航工业西安航空打算技能研究所，陕西 西安710068；2.集成电路与微系统设计航空科技重点实验室，陕西 西安710068；3.西安翔腾微电子科技有限公司，陕西 西安710068)
在深入研究及剖析FC网络协议的根本上，提出了一种采取数模稠浊SoC设计技能实现FC-AE-ASM协议处理芯片的研制方案，详细解释了芯片的架构设计、事情事理及技能上风。该芯片内嵌微处理器、FC-AE-ASM协议处理引擎、高速串并转换SerDes、PCIe/RapidIO主机接口，与主机处理器合营可完成FC设备管理、通信管理、时钟同步、网络管理等功能；供应片外存储器接口以及JTAG等调试接口。经由多层次、多角度验证表明，该芯片功能、性能稳定，可大大减小系统功耗及体积，提高系统集成度。
FC；SoC；FC-AE-ASM
FC网络以其高带宽、低延时、扩展性好、传输可靠性高档特点得到了多方肯定，已广泛运用于民用网络、存储和数据传输领域，并成为我国新一代飞机航电系统通信网络首选[1]。根据国际航电系统的发展趋势和海内对航电系统研究论证的结果，我国采取基于交流架构的FC光纤通道网络作为新一代飞机航空电子系统的统一数据通讯网络，并选用光纤通道航空电子环境匿名签署(Fibred Channel Avionic Environment Anonymous Subscriber Messaging，FC-AE-ASM)协议作为航电系统间的通信标准[2]。
本文在深入研究及剖析FC网络协议的根本上，结合我国机载航电系统对FC总线网络的运用需求，先容了一种采取SoC技能实现FC-AE-ASM协议处理芯片的设计与实现过程[4]，体系性地办理了制约我国FC网络发展的关键问题及瓶颈，补充了海内空缺，实现了我国FC通信网络研制核心器件的自主保障、自主发展。
首先全面解读和精确剖析FC网络协议及标准，探索有效实现FC协议技能方法和路子，经由反复的理论剖析和仿真、验证，打破FC协议精确解读及剖析、关键IP设计与验证、高速串行SerDes电路实现等关键技能，开拓FC协议处理关键IP，研制高速SerDes电路，构建芯片FPGA原型，并在多个别系中进行大量的运用验证和优化，为芯片定义、研制及运用打下踏实的技能根本，降落芯片研制风险。
在此根本上，结合系统需求，完成FC-AE-ASM协议处理芯片的定义、体系构造设计及优化；采取软硬件协同设计[3-6]方法完成芯片的逻辑设计、虚拟原型验证、FPGA原型验证、协议符合性测试验证；基于成熟工艺，完成后端物理设计、管壳定制、流片制造、封装与测试；基于FC-AE-ASM协议处理芯片开拓配套驱动软件，为自主知识产权的机载FC网络开拓供应核心芯片及根本软件。
2 设计与实现
2.1 芯片功能
通过对FC网络协议全面解读与剖析，确定利用光电转换器和SerDes收发器仿照电路实现FC-0层和FC-1层的功能，FC协议处理器数字电路实现FC-2层到FC-4层的全部功能。如图1所示。
通过对协议分层模型的反复理论剖析，采取软硬件协同设计的办法，遵照与性能或者功耗干系的功能用硬件实现、其他用软件实现的原则。研制核心FC-MAC IP核完成FC-1、FC-2层协议的8b/10b编解码[5]、流量掌握、FC-FS协议[7-8]核心端口状态机等功能；研制核心FC-AE-ASM协议处理核心IP，完成FC-4层中FC-AE-ASM协议中明确规定的对数据流分包和重组、组帧等内容。结合FC-AE-ASM节点机的功能及性能需求，提出FC-AE-ASM协议处理芯片的紧张功能如下：
(1)内嵌高性能PPC460处理器，事情频率125 MHz/250 MHz可配置；
(2)FC-FS协议处理功能和性能：支持1、2、3、6类做事和N、F、E、B端口；传输速率：1.062 5 Gb/s、2.125 Gb/s可选；支持帧的CRC校验、信用管理；支持统计信息网络。
(3)集成FC-AE-ASM协议处理引擎：FC-AE-ASM协议通信处理功能；FC网络系统时统功能；FC网络运行掌握功能；双余度FC链路功能。
(4)集成FC高速串并转换SerDes。
(5)存储器掌握器。片内存储器资源128 KB；片外存储器接口：片上处理器程序加载Flash 32 MB；主机访问Flash 32 MB；片上处理器程序扩展SSRAM 64 MB。
(6)外围接口。高速PCIe主机接口支持4x、1x模式，通道速率为2.5 Gb/s；高速RapidIO主机接口支持自适应的4x、1x模式，3种不同线速率：1.25 Gb/s、2.5 Gb/s、3.125 Gb/s；串口、GPIO接口；JTAG调试接口。
2.2 芯片架构设计
根据对FC协议标准的理解和系统运用功能及性能需求的剖析，提出FC-AE-ASM协议处理芯片的体系架构如图2所示。
FC-AE-ASM协议处理芯片供应ASM协议处理功能，其事情事理如下：
(1)发送数据时，由主机在内存中按ASM格式准备，之后启动发送；主机接口DMA将数据从主机内存的发送缓冲区中搬移到片内帧缓冲；发送掌握模块将数据输出到SerDes模块，SerDes模块将输入的并行数据流转换成2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的高速串行数据流输出到片外；
(2)吸收数据时，SerDes模块将2.125 Gb/s/1.062 5 Gb/s的片外串行输入数据流转换为并行数据流；吸收掌握模块吸收帧时查询通信配置表，如果能查到相应的配置项，则将ASM数据搬移到FC吸收缓冲区，再将其搬移到片内帧缓冲；吸收管理模块判断所对应的通信配置索引项的位置，然后判断吸收缓冲区状态，如果可以吸收则打算出缓冲地址，并启动主机接口模块的DMA，将ASM数据帧从片内帧缓冲搬移到主机内存的吸收缓冲区中；的吸收办法可以配置为中断主机或主机查询，如为中断办法，则将ID保存到中断干系寄存器中，发中断给主机。
FC-AE-ASM协议处理芯片供应ELS帧实现网络管理功能，其事情事理如下：
(1)发送ELS帧时，片上处理器按照ELS帧格式组帧，并写入ELS帧发送缓冲，启动发送，由发送掌握模块将要发送的帧从ELS发送缓冲区发送到FC MAC掌握器的客户端接口；FC MAC掌握器卖力将ELS帧输出到SerDes模块；SerDes模块将吸收到的并行数据流转换串行数据输出。
(2)吸收ELS帧时，SerDes模块将吸收到的串行数据转换为并行数据流；FC MAC掌握器将SerDes输出的并行数据转换为32位的数据流从客户端输出；吸收掌握模块从FC MAC掌握器的客户端接口将ELS帧吸收到ELS帧吸收缓冲区，更新吸收头指针，交由片上处理器处理。
2.2.1 硬件设计
根据系统架构设计得出硬件系统，包括FC-AE-ASM协议处理模块、PCIe主机接口、RapidIO主机接口、高速串并转换SerDes、PPC460嵌入式处理器、其他片上资源等。
FC-AE-ASM协议处理模块支持256个非数据块和16个数据块的收发掌握，支持ELS帧的收发，供应网络管理硬件支持，具备信息交互区及命令交互寄存器，用于主机与片上处理器之间交互网络管理信息数据，设备掌握处理功能(包括设备软复位、ASM数据收发使能和禁止、主机和设备之间的硬件旗子暗记量、FC设备的WDT定时功能、硬件设备心跳掌握和检测)、双余度掌握功能、FC网络系统时统功能。
PCIe主机接口完成从PCIe串行链路到用户端逻辑之间的PCIe协议转换和数据高速传输。该PCIe主机接口由PCIe协议处理模块和DMA模块两部分组成。PCIe协议处理模块实现了协议规定的事务层、链路层、物理层逻辑子块的功能，支持端点操作，为用户供应全面的底层PCIe状态信息。DMA模块支持最多2个S2C及2个C2S DMA通道，支持用户端直接掌握。
RapidIO主机接口由6部分组成：逻辑及传输层模块(实现逻辑及传输层协议包括卖力事务组包、拆包等功能)、物理层模块(实现物理层协议包括包的掌握符号传送、流量掌握、缺点管理等功能)、寄存器管理模块(卖力对寄存器进行读写操作)、寄存器组模块(集中实现各层寄存器)、时钟及复位模块、运用模块(实现DMA、门铃操作以及片内资源访问等功能)。
高速串并转换SerDes紧张完成FC-1层的8b/10b编解码、串化/解串和不同时钟域数据的时序转换。
PPC460嵌入式处理器供应强大的数据处理及掌握能力，通过事情在较高时钟频率的PLB总线和外围设备通信，完成FC速率配置，ELS帧的吸收、发送以及FC MAC的初始化配置。
其他片上资源包括片上总线、中断掌握器、定时掌握器、看门狗、通用输入输出接口、UART接口、调试接口等。
2.2.2 软件设计
FC-AE-ASM协议处理芯片的干系软件为各个别系供应利用FC-AE-ASM协议处理芯片实现FC网络数据传输的API接口。该软件紧张分为：(1)运行在宿主机上由用户程序调用的FC-AE-ASM接口驱动软件、PCIe接口驱动软件、RapidIO接口驱动软件；(2)运行在FC-AE-ASM协议处理芯片上的FC-AE-ASM接口底层传输软件，及其他资源模块（VIC、Uart、Timer等）的驱动软件。
FC-AE-ASM协议处理软件的核心部件为FC-AE-ASM接口软件，包含FC-AE-ASM协议通信功能、设备管理功能、时统管理功能、网络管理功能。实现构造框图如图3所示。
FC-AE-ASM接口软件功能如下：
(1)FC-AE-ASM协议通信功能。实现对ASM处理程序的注册、注销，通信表的加载和卸载，FC-AE-ASM协议非数据块的封装，ASM协议通信的启动、停滞掌握，ASM的发送、吸收掌握等。航电运用通过调用ASM通信接口实现不同硬件模块之间的数据通信交互；
(2)网络管理功能。实现网络初始化掌握，网络系统管理器掌握权争夺掌握。网络系统运行构造掌握，网络上/下线管理（linkup/linkdown），网络上/下网掌握(online/offline)，网络系统康健监控，网络时统掌握，网络配置数据加载及固化。航电运用系统管理通过调用网络管理接口实现对FC网络运行状态的掌握及管理；
(3)设备管理功能。实现设备的打开、关闭，设备软复位，设备自测试，设备状态获取，软件版本获取。航电运用系统管理通过调用设备管理接口实现对FC网络设备的管理功能；
(4)时统管理功能。供应一组网络时钟同步驱动掌握接口，包括时钟同步模式设置、时钟同步使能、时钟同步禁止、任务系统RTC设置、任务系统RTC获取、任务系统同步监控门限设置、网络日历信息设置以及网络日历信息获取功能。
2.3 物理设计与实现
FC-AE-ASM协议处理芯片设计规模为1 730余万门，芯片面积为12.3×12.3(mm2)，芯片事情温度范围-55 ℃~125 ℃。
2.4 芯片流片、封装
FC-AE-ASM协议处理芯片的流片制造采取SMIC 0.13 ?滋m Logic工艺，内核电压1.2 V，IO电压3.3 V，封装形式为CBGA440。
2.5 芯片验证
2.5.1 验证策划
根据芯片需求以及功能定义，对芯片测试、验证进行详细策划，体例芯片样片测试规范，依据测试规范对芯片进行芯片级及系统运用级验证，以担保芯片功能、性能、对外接口、电气特性以及兼容性知足运用哀求。
芯片级测试内容包括：电气特性及基本功能测试、板级功能及性能测试、繁芜核心IP测试、协议符合性测试及芯片的环境适应性测试，以上测试可以基于芯片样片同步并行开展。芯片运用级验证紧张结合实际研制项目开展基于子卡、模块及系统级的运用验证。详细履行如图4所示。
2.5.2 验证明行
芯片测试验证从芯片级测试到运用级测试，涵盖FC接口2.125/1.062 5 Gb/s 2种速率、RapidIO接口1线/4线2种模式和3.125/2.5/1.25 Gb/s 3种速率、PCIe接口1线/4线2种模式、PowerPC 250/125 MHz 2种时钟频率，共计32种场景，每种场景下开拓测试程序807项。
2.5.3 验证结果
经测试芯片电气特性符合设计指标哀求，繁芜核心IP SerDes测试符合测试标准，协议符合FC-FS、FC-PI协议哀求。系统运用测试功能、性能知足系统运用需求，知足环境适应性设计需求。紧张指标验证结果如表1所示。
3 技能上风
市场上存在的一些FC网络产品大多都采取FPGA或ASIC办法实现，存在板面历年夜、功耗高、可靠性低、通用性差等不敷，已不能知足系统小型化、高可靠性的哀求。
与市场上的FC网络产品比较，FC协议处理核心芯片符合系统小型化、低功耗、高性能、高可靠性、高度综合、繁芜恶劣环境等运用哀求。
以基于该芯片研制的PMC卡和市场上同类产品比较较，紧张指标比拟情形如表2所示。
由表2可以看出，基于该芯片研制的PMC卡与市场上同类产品比较显著提高了功能、性能、可靠性及FC核心产品的自主保障能力。
4 总结
本文针对机载航电系统对FC总线网络的运用需求，以及我国在FC网络产品方面受制于人、系统功耗大、掩护本钱高的现状，提出了一种采取SoC技能实现FC-AE-ASM协议处理芯片的设计方法。该芯片功能及性能符合设计哀求，现已成功运用在多个别系中。运用结果表明，该芯片符合协议、系统等的哀求。该芯片的研制体系性地办理了制约我国FC网络发展的关键及瓶颈，补充了海内空缺，实现了我国FC通信网络研制核心器件的自主保障和自主发展。
参考文献
[1] 李攀，田泽，蔡叶芳，等．基于FPGA的双通道FC数据采集卡设计[J]．打算机技能与发展，2013，23(7)：179-182．
[2] SULLIVAN W．Fibre channel: replacement for MIL-STD-1553＆next generation military data bus[EB/OL]．1998－09．
[3] 淮伟华．基于FC-2协议的SoC软硬件协同设计与验证[D]．西安：陕西科技大学，2009．
[4] 黎小玉，田泽.FC协议剖析仪软件设计与实现[J]．打算机技能与发展，2013，23(8)：31-34．
[5] 田泽，韩炜，蔡叶芳，等．基于FC接口的SoC软硬件协同设计验证平台构建与实现[C].第十三届打算机工程与工艺会议论文集．西安：西北工业大学出版社，2009．
[6] 张艳，胡桂.SOC设计中的核心技能[J]．微打算机信息，2007，23(10-2)：110-112．
[7] 张丹，董雷刚，祝裕璞，等.基于SOPC嵌入式系统中软硬件协同设计方法研究[J]．大庆师范学院学报，2012，32(6)：40-44．
[8] ANSI Fiber Channel Fhysical and Signaling Interface(FC-PH)，X3[M].US：ANSI，1994.
[9] ANSI Fiber Channel Framing and Signaling-2(FC-FS-2)，Rev0.01[M].US：ANSI，2003.
AET会员年终大福利！
