SoC技術(shù)在FC芯片設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

引言

光纖通道（FC）是一個(gè)高性能的雙向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行數(shù)據(jù)通道。光纖通道的標(biāo)準(zhǔn)是由T11標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（美國國家信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)下屬的技術(shù)委員會(huì)）制定的，它是一個(gè)為適應(yīng)日益增長的高性能信息傳輸要求而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)通訊協(xié)議。FC集中了IO通道和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，它既支持IO通道所要求的帶寬與可靠性，又支持網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的靈活性與連接能力，使得在同一物理接口上運(yùn)行當(dāng)今流行的通道標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議成為可能。目前，F(xiàn)C已被作為未來航空電子統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)的一種主要聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了一種采用片上系統(tǒng)（SOC）技術(shù)來設(shè)計(jì)FC協(xié)議芯片的方案，分析了SOC設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)及其與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的不同點(diǎn)，為今后在航電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中推廣使用SOC技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

FC工作原理簡介

光纖通道所支持的物理介質(zhì)包括光纖、雙絞線、同軸電纜等，本文統(tǒng)稱其為光纖。物理上，F(xiàn)C可被看成是稱為N端口的多個(gè)通信點(diǎn)的連接，這些N端口可以通過交換網(wǎng)進(jìn)行連接，且通過集線器構(gòu)成仲裁環(huán)路，也可以通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路進(jìn)行連接。如圖1所示，F(xiàn)C協(xié)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(jié)構(gòu)圖

FC-0層

FC-0定義了接口和介質(zhì)的物理特性，規(guī)定了收發(fā)器和各種物理媒介的光電參數(shù)。按照實(shí)現(xiàn)器件的不同，F(xiàn)C可具有不同的數(shù)據(jù)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(xié)議，它采用直流平衡8b/10b碼。一個(gè)8位字節(jié)編碼為10位進(jìn)行傳輸，然后在接收端再進(jìn)行解碼。一部分具有特殊特性的沒有使用的編碼點(diǎn)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(hào)傳輸協(xié)議層。它規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則，提供了數(shù)據(jù)塊從一個(gè)端口傳輸?shù)较乱粋€(gè)端口的傳輸機(jī)制，定義了可由FC-4使用的功能和設(shè)備，F(xiàn)C-4可以只采用其中的一個(gè)子集。這一層描述了如下概念：

（1）節(jié)點(diǎn)和N端口及相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符；

（2）通訊模型；

（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

（4）服務(wù)類；

（5）通用交換網(wǎng)模型；

（6）FC-2的構(gòu)造塊及體系結(jié)構(gòu)；

（7）幀格式；

（8）序列；

（9）交換。

FC-3層

FC-3層為一些高級(jí)特性提供了所需要的通用服務(wù)，例如：

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

（2）查詢組：使數(shù)量多于一個(gè)的端口能響應(yīng)相同的別名地址。這一服務(wù)通過減少接觸到忙N端口的機(jī)會(huì)來提高效率。

（3）多播：將一個(gè)傳輸發(fā)送到多個(gè)目標(biāo)端口，包括發(fā)送到一個(gè)交換網(wǎng)上的所有N端口（廣播），或只發(fā)送到交換網(wǎng)上某些N端口。

FC-4層

FC- 4層是FC協(xié)議的最高層，它規(guī)定了上層協(xié)議到FC協(xié)議的映射。當(dāng)前映射的協(xié)議有：小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口（SCSI）、智能外設(shè)接口3（IPI-3）、高性能并行接口（HIPPI）、INTERNET協(xié)議（IP）、IEEE802.2、單字節(jié)命令碼集映射（SBCCS）。另外，F(xiàn)C-AE還描述了一個(gè)基于 1553B的上層協(xié)議映射。

FC-PH的物理模型

FC通路在物理上至少由2個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以由多個(gè)N端口組成，每個(gè)N端口提供FC-0、FC-1、FC-2的功能。FC-3是可選的，它為多個(gè)N端口和FC-4提供通用服務(wù)。FC節(jié)點(diǎn)的組成如圖2所示。

圖2 FC節(jié)點(diǎn)的組成

每個(gè)端口由一對(duì)光纖組成，一個(gè)用于輸入，一個(gè)用于輸出。這一對(duì)按相反方向傳輸?shù)墓饫w和收發(fā)器組成FC鏈路，完成數(shù)據(jù)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(gè)有序集，4個(gè)8b字符，根據(jù)不同幀的類型有不同的碼字；幀頭，24個(gè)8b字符，詳見表1；數(shù)據(jù)字段，0–2112個(gè)8b字符；CRC，4個(gè)8b字符，它對(duì)幀頭部分和數(shù)據(jù)字段部分進(jìn)行校驗(yàn)，其編碼多項(xiàng)式是X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1；幀結(jié)束定界符EOF是一個(gè)有序集，4個(gè)8b字符，根據(jù)不同幀的類型有不同的碼字。

FC協(xié)議芯片的設(shè)計(jì)概述

功能概述

FC芯片的功能是實(shí)現(xiàn)圖1中的FC-PH，即FC-2、FC-1、FC-0層的協(xié)議；每個(gè)FC芯片支持2個(gè)N端口，可構(gòu)成如圖2所示的FC節(jié)點(diǎn)；支持的數(shù)據(jù)傳輸率為1.0625Gbits/s。

基于SoC的設(shè)計(jì)考慮

基于SoC的芯片設(shè)計(jì)和嵌入式模塊板的設(shè)計(jì)有相似之處，但不能把SoC設(shè)計(jì)簡單地理解為對(duì)嵌入式模塊板的小型化，它們的主要區(qū)別如下：

（1）嵌入式模塊板的設(shè)計(jì)是使用現(xiàn)有的CPU芯片和外設(shè)芯片來實(shí)現(xiàn)的，而SoC設(shè)計(jì)是由CPU內(nèi)核與各種功能模塊內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的。

（2）由上文可知，嵌入式模塊板的設(shè)計(jì)是在已經(jīng)設(shè)定的規(guī)則框架中進(jìn)行的，這些規(guī)則就是各種芯片的使用手冊，而SoC設(shè)計(jì)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，自行設(shè)計(jì)規(guī)則，再設(shè)計(jì)各種功能模塊內(nèi)核，以滿足功能要求并使得資源利用最優(yōu)化。

（3）嵌入式模塊板的設(shè)計(jì)，由于受到CPU芯片引腳的限制，外設(shè)芯片大多掛在CPU的一條外部總線上，難免會(huì)有總線爭用，而SoC設(shè)計(jì)原則上芯片內(nèi)部可以并行工作的總線個(gè)數(shù)沒有限制，應(yīng)充分利用這個(gè)特性，合理確定體系結(jié)構(gòu)，避免總線爭用。

（4）嵌入式模塊板的設(shè)計(jì)，其軟硬件的設(shè)計(jì)都有固定的模式，而SOC設(shè)計(jì)先要根據(jù)設(shè)計(jì)需求，確定軟硬件的交會(huì)點(diǎn)，確定軟硬件協(xié)同的規(guī)則，才能達(dá)到資源利用最優(yōu)化的目的。

首先，要確定軟硬件的交會(huì)點(diǎn)。軟硬件的交會(huì)點(diǎn)放在FC-2層的“序列”上。因?yàn)?ldquo;序列”負(fù)責(zé)整塊數(shù)據(jù)的收或發(fā)，當(dāng)數(shù)據(jù)塊的長度超過圖3所示的數(shù)據(jù)長度時(shí)，要分為若干個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)幀來傳輸。數(shù)據(jù)幀的相關(guān)性表現(xiàn)在如表1所示的幀頭中，只有序列計(jì)數(shù)字段SEQ_CNT發(fā)生改變。因此，軟件將負(fù)責(zé)提供幀頭的部分信息和數(shù)據(jù)，由硬件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀和以后的工作。其次，在設(shè)計(jì)芯片的體系結(jié)構(gòu)時(shí)，要充分使用芯片內(nèi)部的并行工作的總線。最后，為便于本芯片的測試，對(duì)上層接口 ULP，先考慮使用PCI總線，以便實(shí)現(xiàn)基于PCI接口的FC網(wǎng)卡。根據(jù)今后實(shí)際使用需求，ULP將按需設(shè)計(jì)。

芯片的結(jié)構(gòu)

根據(jù)3.2節(jié)的討論，F(xiàn)C協(xié)議芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。FC協(xié)議芯片對(duì)上層的接口（ULP）采用PCI接口，由芯片內(nèi)置的PCI-TARGET內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。

圖4 FC協(xié)議芯片的結(jié)構(gòu)框圖

圖 4中虛線方框部分構(gòu)成了FC的N端口，整個(gè)芯片中有2個(gè)N端口。每個(gè)FC-N端口由“FC收發(fā)通道”和“FC幀收發(fā)控制器”2層構(gòu)成。“FC收發(fā)通道”與光電接口模塊配合可實(shí)現(xiàn)FC-0層、FC-1層和FC-2層中數(shù)據(jù)幀收發(fā)的功能。該層為上層接口提供用于數(shù)據(jù)幀收發(fā)的片內(nèi)FIFO通道。“FC幀收發(fā)控制器”實(shí)現(xiàn)FC-2層的數(shù)據(jù)幀打包、開包和檢錯(cuò)。另外，通過芯片內(nèi)嵌的軟件模塊實(shí)現(xiàn)FC-2層的序列和交換協(xié)議；同時(shí)提供ULP接口。下文對(duì)FC通道、幀收發(fā)控制器、CPU內(nèi)核及ULP 接口作分別討論。