一種支持PCIe和PCI主機接口的模塊測試平臺設計

孟 博,徐玉杰,馮思桐

(中航工業西安航空計算技術研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

當前機載航電設備普遍采用將主處理器模塊和接口模塊分離進行設計,主處理器作為基板,對整個模塊進行管理控制和相關功能實現,接口模塊作為背板子卡,實現標準FC接口、PCIe接口和PCI接口等[1]。目前基于標準PCIe接口和PCI接口的FC網絡接口模塊在主要機載型號中廣泛應用,已進入大批生產交付階段。本文設計了一種支持PCIe和PCI主機接口的模塊測試平臺,可實現對不同類型的標準PCIe和PCI主機接口模塊進行軟件邏輯升級測試和維護保障工作。

1 需求分析

外設部件互連標準(Peripheral Component Interconnect, PCI)總線是一種并行總線結構,工作頻率33 MHz,位寬32 bit時最大數據傳輸速率為133 MB/s,位寬64 bit時最大數據傳輸速率為266 MB/s,由PCI設備、PCI總線和PCI橋組成,結構設計簡單,開發成本低廉。隨著網絡數據傳輸速率的不斷提高,并行總線結構干擾問題異常嚴重,此時PCIe(PCI-Express)總線應運而生,它是在PCI總線的基礎上發展起來的一種點對點的高速串行總線標準,信號傳輸采用差分信號,極大地克服了并行信號干擾和較遠距離傳輸問題,并且串行總線可以采用全雙工通信,傳輸速率顯著提升,PCIe 2.0協議X16接口總線帶寬高達8 GB/s。

基于PCIe/PCI接口的FC網絡接口模塊支持FCPI,FC-FS,FC-AE-ASM等FC總線協議,網絡采用點到點或交換拓撲結構,支持雙冗余FC通信架構,全雙工通信,可實現1.062 5 Gbps或2.125 Gbps傳輸速率的切換[2-3]。鑒于PCIe/PCI的FC網絡接口模塊的性能特點和外場保障環境的復雜性,本文設計的FC網絡接口模塊測試平臺具備以下功能:主機接口適配PCIe和PCI接口類型FC網絡接口模塊測試；測試平臺對外提供FC光接口,實現FC網絡接口模塊光電接口轉換；具備使用CPU主處理器對PCIe和PCI接口的訪問,同時針對FC網絡接口模塊進行外環通信等主要性能測試；可使用專用工具對FC網絡接口模塊進行離線邏輯和相關軟件升級；220V AC市電轉5V DC供電,提供電源開關,提供5V電流指示,FC網絡接口模塊測試平臺如圖1所示。

圖1 測試平臺

2 方案設計

2.1 PCIe對外接口設計

PCIe接口是主機CPU和FC網絡接口模塊進行數據交互的接口,主機對FC網絡接口模塊所有資源的訪問都是通過PCIe接口實現的。具有PCIe主機接口的FC網絡接口模塊可對外提供2路4線標準PCIe接口,端口單線速率2.5 Gbps,其兼容PCI Express 1.1基本協議,支持端點模式操作,支持傳統和MSI中斷。具有PCIe接口的FC網絡接口模塊通過適配轉接板安裝在測試平臺的PCIe接口上,并通過測試平臺母板將高速信息線引至測試平臺PCIe接口。FC網絡接口模塊輸出PCIe信號電平為CML差分信號,測試平臺母版需要使用電容在發送端AC耦合,為了保證高速信號的完整性,要嚴格按照高速信號走線要求進行PCB布線。

2.2 PCI對外接口設計

PCI接口與PCIe接口相同,作為一種標準主機接口,用于主機處理器和FC網絡接口模塊之間的數據傳輸和訪問控制。具有PCI主機接口的FC網絡接口模塊采用標準PCI總線結構,兼容PCI 2.2規范,支持66 MHz/64 bit,66 MHz/32 bit,33 MHz/64 bit和33 MHz/32 bit4種總線規格,采用INTA作為標準中斷引腳,支持多設備共享中斷,集成高速DMA引擎,可實現PCI接口數據的高速存取。

具有PCI接口的FC網絡接口模塊通過適配轉接板安裝在測試平臺的PCI接口上,為了支持PCIe接口CPU對該測試平臺PCI接口的兼容測試,測試平臺母版上集成設計了PCIe-PCI SWITCH轉換芯片,實現將FC網絡接口模塊PCI接口與CPU處理器PCIe接口之間的數據轉換。

2.3 FC對外接口設計

FC網絡接口模塊對外提供兩路獨立的FC接口,負責將航電網絡中不同分系統互聯,為各傳感器、主機處理器與FC網絡提供數據和控制接口,其支持FCAE-ASM協議,支持軟件可配置的1.062 5 Gbps,2.125 Gbps線速率,支持點到點、交換式互連。FC網絡接口模塊的FC接口為電信號,為了實現測試平臺對FC接口模塊進行外環通信測試,檢驗FC光路的性能指標,測試平臺母板將FC電信號通過板間連接器引出,設置光電收發器芯片,將FC電信號與FC光信號相互轉換,完成相關功能測試。測試平臺母版需要使用電容在FC信號接收端AC耦合,為了保證高速信號的完整性,要嚴格按照高速信號走線要求進行PCB布線。

3 測試驗證

FC網絡接口模塊測試平臺的測試驗證,需提供PCIe接口CPU主處理器模塊運行測試程序,并通過PCIe接口實現對FC網絡接口模塊進行管理控制和數據收發。CPU主處理器模塊具備1個以太網及1個串口調試接口,使用1Gb以上的DDR2 SDRAM存儲器,具備200 MB以上的內存空間用于FC接口模塊運行測試程序,對外提供4路標準4Lane PCIe接口,測試平臺驗證連接如圖2所示。

圖2 測試平臺驗證連接

對支持PCIe/PCI主機接口的模塊測試平臺功能進行全面測試,測試目的是檢查測試平臺的功能是否滿足外場FC網絡接口模塊測試維護保障的要求。測試項目主要為FC外環通信測試、離線邏輯和相關軟件升級等。

FC外環通信測試主要測試FC網絡接口模塊在查詢方式或中斷方式下FC幀數據的通信功能是否正常,將測試平臺FC光接口的接收端和發送端口使用光纖進行自環繞連接,CPU主處理器將需要發送的數據寫入發送緩沖區,通過查詢方式或中斷方式判斷接收緩沖區中的數據,將從接收緩沖區讀出數據與預先發送的數據進行比較,判斷鏈路狀態,將結果通過CPU主處理器串口上報PC機打印輸出。

該測試平臺具備標準JTAG邏輯升級調試接口、以太網和測試串口等,將XILINX編程線纜連接至測試平臺JTAG口,測試平臺上電,啟動PC機iMPACT軟件,可對FC網絡接口模塊進行離線邏輯升級。通過標準以太網和測試串口,連接至PC機網口和串口,并使用專用升級軟件進行離線相關軟件升級。

4 結語

標準PCIe/PCI主機接口的FC網絡接口模塊在主流機載型號中廣泛應用,已進入大批生產交付階段。本文設計了一種支持PCIe和PCI主機接口模塊的測試平臺,詳細介紹了測試平臺的設計方案。該測試平臺能夠實現對現有不同類型標準PCIe/PCI主機接口的FC網絡接口模塊進行軟件邏輯升級和測試維護保障等工作,為外場種類繁多的FC網絡接口模塊技術服務保障提供設備和技術支持。