SoC技術在FC芯片設計中的應用

引言

光纖通道（FC）是一個高性能的雙向點對點串行數據通道。光纖通道的標準是由T11標準委員會（美國國家信息技術標準化委員會下屬的技術委員會）制定的，它是一個為適應日益增長的高性能信息傳輸要求而設計的計算機通訊協議。FC集中了IO通道和網絡的優點，它既支持IO通道所要求的帶寬與可靠性，又支持網絡技術的靈活性與連接能力，使得在同一物理接口上運行當今流行的通道標準和網絡協議成為可能。目前，FC已被作為未來航空電子統一網絡的一種主要聯網標準。本文討論了一種采用片上系統（SOC）技術來設計FC協議芯片的方案，分析了SOC設計方法的特點及其與傳統的嵌入式系統設計方法的不同點，為今后在航電系統的設計中推廣使用SOC技術奠定了基礎。

FC工作原理簡介

光纖通道所支持的物理介質包括光纖、雙絞線、同軸電纜等，本文統稱其為光纖。物理上，FC可被看成是稱為N端口的多個通信點的連接，這些N端口可以通過交換網進行連接，且通過集線器構成仲裁環路，也可以通過點對點的鏈路進行連接。如圖1所示，FC協議可以分成一系列的功能層次，各功能層次簡述如下。

圖1 FC的層次結構圖

FC-0層

FC-0定義了接口和介質的物理特性，規定了收發器和各種物理媒介的光電參數。按照實現器件的不同，FC可具有不同的數據傳輸率：133Mbit/s，266Mbit/s，530Mbit/s，1.0625Gbit/s等。

FC-1層

FC-1定義了編解碼和傳輸協議，它采用直流平衡8b/10b碼。一個8位字節編碼為10位進行傳輸，然后在接收端再進行解碼。一部分具有特殊特性的沒有使用的編碼點被用來組成特殊字符，以形成信令和幀描述的有序集。

FC-2層

FC-2層是信號傳輸協議層。它規定了數據傳輸的規則，提供了數據塊從一個端口傳輸到下一個端口的傳輸機制，定義了可由FC-4使用的功能和設備，FC-4可以只采用其中的一個子集。這一層描述了如下概念：

（1）節點和N端口及相應的標識符；

（2）通訊模型；

（3）拓撲結構；

（4）服務類；

（5）通用交換網模型；

（6）FC-2的構造塊及體系結構；

（7）幀格式；

（8）序列；

（9）交換。

FC-3層

FC-3層為一些高級特性提供了所需要的通用服務，例如：

（1）分類：并行使用若干個N端口來增加帶寬，以便通過多重連接傳輸一個單一信息。

（2）查詢組：使數量多于一個的端口能響應相同的別名地址。這一服務通過減少接觸到忙N端口的機會來提高效率。

（3）多播：將一個傳輸發送到多個目標端口，包括發送到一個交換網上的所有N端口（廣播），或只發送到交換網上某些N端口。

FC-4層

FC- 4層是FC協議的最高層，它規定了上層協議到FC協議的映射。當前映射的協議有：小型計算機系統接口（SCSI）、智能外設接口3（IPI-3）、高性能并行接口（HIPPI）、INTERNET協議（IP）、IEEE802.2、單字節命令碼集映射（SBCCS）。另外，FC-AE還描述了一個基于 1553B的上層協議映射。

FC-PH的物理模型

FC通路在物理上至少由2個節點組成。每個節點可以由多個N端口組成，每個N端口提供FC-0、FC-1、FC-2的功能。FC-3是可選的，它為多個N端口和FC-4提供通用服務。FC節點的組成如圖2所示。

圖2 FC節點的組成

每個端口由一對光纖組成，一個用于輸入，一個用于輸出。這一對按相反方向傳輸的光纖和收發器組成FC鏈路，完成數據傳輸。

FC-2層的幀格式

FC-2層的幀格式如圖3所示。

幀起始定界符SOF是一個有序集，4個8b字符，根據不同幀的類型有不同的碼字；幀頭，24個8b字符，詳見表1；數據字段，0–2112個8b字符；CRC，4個8b字符，它對幀頭部分和數據字段部分進行校驗，其編碼多項式是X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1；幀結束定界符EOF是一個有序集，4個8b字符，根據不同幀的類型有不同的碼字。

FC協議芯片的設計概述

功能概述

FC芯片的功能是實現圖1中的FC-PH，即FC-2、FC-1、FC-0層的協議；每個FC芯片支持2個N端口，可構成如圖2所示的FC節點；支持的數據傳輸率為1.0625Gbits/s。

基于SoC的設計考慮

基于SoC的芯片設計和嵌入式模塊板的設計有相似之處，但不能把SoC設計簡單地理解為對嵌入式模塊板的小型化，它們的主要區別如下：

（1）嵌入式模塊板的設計是使用現有的CPU芯片和外設芯片來實現的，而SoC設計是由CPU內核與各種功能模塊內核實現的。

（2）由上文可知，嵌入式模塊板的設計是在已經設定的規則框架中進行的，這些規則就是各種芯片的使用手冊，而SoC設計可以根據設計需求，自行設計規則，再設計各種功能模塊內核，以滿足功能要求并使得資源利用最優化。

（3）嵌入式模塊板的設計，由于受到CPU芯片引腳的限制，外設芯片大多掛在CPU的一條外部總線上，難免會有總線爭用，而SoC設計原則上芯片內部可以并行工作的總線個數沒有限制，應充分利用這個特性，合理確定體系結構，避免總線爭用。

（4）嵌入式模塊板的設計，其軟硬件的設計都有固定的模式，而SOC設計先要根據設計需求，確定軟硬件的交會點，確定軟硬件協同的規則，才能達到資源利用最優化的目的。

首先，要確定軟硬件的交會點。軟硬件的交會點放在FC-2層的“序列”上。因為“序列”負責整塊數據的收或發，當數據塊的長度超過圖3所示的數據長度時，要分為若干個相關的數據幀來傳輸。數據幀的相關性表現在如表1所示的幀頭中，只有序列計數字段SEQ_CNT發生改變。因此，軟件將負責提供幀頭的部分信息和數據，由硬件負責數據成幀和以后的工作。其次，在設計芯片的體系結構時，要充分使用芯片內部的并行工作的總線。最后，為便于本芯片的測試，對上層接口 ULP，先考慮使用PCI總線，以便實現基于PCI接口的FC網卡。根據今后實際使用需求，ULP將按需設計。

芯片的結構

根據3.2節的討論，FC協議芯片的結構框圖如圖4所示。FC協議芯片對上層的接口（ULP）采用PCI接口，由芯片內置的PCI-TARGET內核實現。

圖4 FC協議芯片的結構框圖

圖 4中虛線方框部分構成了FC的N端口，整個芯片中有2個N端口。每個FC-N端口由“FC收發通道”和“FC幀收發控制器”2層構成。“FC收發通道”與光電接口模塊配合可實現FC-0層、FC-1層和FC-2層中數據幀收發的功能。該層為上層接口提供用于數據幀收發的片內FIFO通道。“FC幀收發控制器”實現FC-2層的數據幀打包、開包和檢錯。另外，通過芯片內嵌的軟件模塊實現FC-2層的序列和交換協議；同時提供ULP接口。下文對FC通道、幀收發控制器、CPU內核及ULP 接口作分別討論。