一種低功耗FC網絡節點機設計與驗證

武健 武堅 馮思桐

摘要：為滿足機載系統對FC網絡節點機總線低功耗的需求，該文設計并實現了基于SOC芯片的FC網絡節點機，搭建了模塊級和網絡級的測試驗證環境，測試驗證結果表明該節點機符合FC相關協議，滿足機載系統對FC數據通信的需求，表現出了良好的可靠性和適應性，具有較高的推廣應用價值。

關鍵詞：FC;SOC

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）09-0058-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1引言

光纖通道（FC）被廣泛應用于航電設備的互連、通訊等領域。隨著FC網絡在眾多飛機中成為標配接口，對FC網絡節點機功耗、體積、重量和國產化的要求也越來越高。傳統的FC網絡節點機以FPGA為核心，存在功耗及自主可控等問題。為此，本文基于FC協議處理SOC芯片，開展了FC網絡節點機的軟硬件設計，并組建了模塊級和網絡級的測試環境，實現了全國產化FC網絡節點機小型化、低功耗、重量輕的設計要求，具有很高的應用推廣價值。

2 FC網絡節點機硬件設計

FC網絡節點機主要由SOC芯片、PCIe主機接口、時鐘電路、電源電路、復位電路及外圍輔助電路實現。FC網絡節點機系統框圖如圖1所示。

2.1 FC-AE-ASM協議處理芯片

本文使用的是一款支持FC-AE-ASM協議標準的SoC芯片[1]，提供雙余度速率可配置串行FC鏈路;支持PCI Express1.1協議，實現與主機處理器高速通信功能;提供FC時鐘同步功能，包括日歷、網絡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。運行時功耗小于1W。

2.2 PCIe主機接口

PCIe主機接口支持4X模式，速率為2.5Gbps，支持INTA、MSI消息中斷方式。支持硬件DMA讀寫操作的主動發起和控制功能。當FC接口收到數據時，通過DMA寫請求把原先需要從用戶邏輯讀取的數據寫入主機內存;用戶邏輯可直接控制DMA引擎;當需要從FC接口發送數據時，向主機存儲器發出DMA讀請求，處理導致的讀完成，前推讀數據到用戶邏輯;保證讀數據排序。

2.3 電源電路

FC網絡節點機應用于機載環境，整個節點機工作電源+5V通過與主機相連的高速連接器提供，使用DC/DC電源芯片部分將5V輸入轉換為數字3.3VD以及數字1.2VD，LDO電源將3.3VD轉換為模擬1.2VA，數字3.3VD為模塊內主要芯片的工作電壓，包括FC協議處理芯片的I/O電壓、存儲電路、時鐘電路、復位電路等，數字1.2VD、模擬1.2VA為FC協議處理芯片的數字內核電壓及Serdes內核電壓。模擬3.3VA為FC協議處理芯片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協議處理芯片I/O先上電、內核后上電的要求。

2.4 時鐘電路

FC網絡節點機共使用3類時鐘，其中FC協議處理芯片內部處理器使用的40MHz單端時鐘由模塊內部單端晶振產生，FC接口的工作時鐘106.25MHz差分時鐘由模塊內部差分晶振產生，針對不同的電平接口，需要進行額外的電路設計。PCIe接口的100MHz差分時鐘由主機通過高速連接器提供。

2.5 存儲電路

FC網絡節點機使用NOR Flash存儲SOC芯片的固件以及FC網絡節點機FC網絡通信的配置表數據。

2.6 光電收發器電路

機載設備內部空間緊湊，為提高FC網絡節點機的適應性，FC網絡節點機對外提供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器進行光電裝換以及通過I2C接口讀取光電收發器內部電壓、內部溫度、接收/發送光功率等信息，監控光電收發器以及光路狀態，提高FC網絡節點機測試指標。

3 FC網絡節點機驅動軟件設計

FC網絡節點機驅動軟件運行于主機CPU，通過PCIe總線配置和讀寫事務實現對FC網絡節點機硬件的控制和訪問，為主機CPU上運行的應用軟件以API接口形式提供服務，主要包括設備管理、通信管理、時間管理、網絡管理、配置維護，中斷處理等功能。各功能模塊描述如下：

（1）設備管理模塊實現對FC設備硬件初始化和控制，具體功能接口包括設備創建、設備初始化、設備工作狀態查詢、設備打開、設備關閉、設備復位等。

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

（3）時間管理模塊為應用軟件提供時間服務，涉及日歷時間設置、系統RTC以及本地RTC的設置和獲取，是應用軟件基于FC網絡同步時間進行任務系統協同調度的基礎。

（4）網絡管理模塊實現全網絡節點狀態信息收集和維護，為應用軟件提供節點入網控制，網絡狀態查詢等能力。

（5）配置維護模塊作為內部功能單元，用于支持FC網絡節點配置文件的在線維護。

（6）中斷處理模塊用于中斷例程的注冊和回調，將網絡節點機硬件上報的事件通過回調方式上報應用軟件。

4 測試驗證

為了測試基于SOC芯片的FC網絡節點機的功能和性能，搭建了模塊級測試環境和網絡級測試環境，模塊級測試環境完成FC網絡節點機的協議一致性測試及產品級功能性能測試[2]，網絡級測試環境完成網絡集成驗證[3]及與產品互聯互通測試。

4.1 模塊級測試

FC網絡節點機模塊級測試環境如圖2所示。

（1）FC網絡節點機測試機箱與CPU機箱通過PCIe線纜連接，構成FC網絡節點機測試工裝。

（2）FC網絡節點機測試工裝串口線連接至Nport上，并通過以太網與測試控制臺的主機相連接。

（3）FC網絡節點機測試測試工裝網口線通過Hub連接至測試控制臺的主機網口。

（4）FC網絡節點機測試機箱的光纖線纜與JDSU測試設備端口互聯，支持端口自環測試和端到端模式測試。

（5）JDSU測試設備可設置為Analyzer模式或者Load Tester模式，在Analyzer模式時，串入光纖收發回環中進行數據分析完成協議一致性測試，在Load Tester模式時充當N端口節點進行數據收發控制，完成功能性能測試。

4.2 網絡級測試

FC網絡節點機網絡級測試環境如圖3所示。

（1）將N個FC網絡節點接至交換機對應的F端口。

（2）JDSU作為Analyzer可接入網絡測試點（TP）中任一處進行數據分析，作為Load Tester可接至交換機F端口進行數據壓力測試。

（3）N個FC網絡節點通過網絡交換機接至集線器Hub。

（4）JDSU測試設備、N個FC網絡節點通過網線連至Hub。

（5）Hub通過網線連至測試控制臺。

依靠模塊級測試環境和網絡測試環境，對基于SOC芯片的FC網絡節點機進行測試，各個測試項均通過測試，測試結果見表1所示。

5結束語

本文基于SOC芯片，設計了一種FC網絡節點機，并建立了模塊級、網絡級測試驗證環境。測試驗證結果表明，基于SOC芯片的FC網絡節點機滿足FC協議標準及系統應用需求，具有功耗低的特點，有較高的推廣應用價值用。

參考文獻：

[1] 李攀，田文娟，李娟，等.FC協議處理芯片設計與實現[J].電子技術應用，2016，42（9）：147-151.

[2] 鄧發俊，武華，馮曉東.一種基于PCIe交換開關的多路FC節點機設計與實現[J].電子技術，2016，45（4）：60-62.

[3] 杜建華，胡靖宇，楊明偉，等.基于光纖通道的數據完整性設計與模擬測試[J].航空計算技術，2020，50（2）：76-78，81.

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