光纖接口適配器的研究與實(shí)現(xiàn)

引言
    隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科技的快速進(jìn)步，近幾年，光纖通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并快速成長(zhǎng)。根據(jù)摩爾定律，CPU的處理速度每18個(gè)月翻一番。而光纖通信的傳輸帶寬每9個(gè)月就增加一倍，而成本降低一半。同時(shí)全球因特網(wǎng)流量每6個(gè)月就翻一番。作為當(dāng)代通信領(lǐng)域的支柱技術(shù)，光纖通信正以每10年速率增長(zhǎng)100倍的速度發(fā)展。其總的發(fā)展趨勢(shì)是速率越來(lái)越塊，可靠性越來(lái)越高，提供的業(yè)務(wù)種類越來(lái)越多。
    隨著存儲(chǔ)技術(shù)的迅速發(fā)展，存儲(chǔ)容量得到了迅速的增長(zhǎng)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度成為了主要的瓶頸。光纖的傳輸具有其速度上的優(yōu)勢(shì)，然而，在光纖傳輸要受到光纖通道接口的限制，因此光纖通道應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是接口的設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文對(duì)有
效地解決高數(shù)據(jù)傳輸在接口處的瓶頸具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 方案設(shè)計(jì)
    完整的實(shí)現(xiàn)要包含PC機(jī)軟件編程、Virtex-5開發(fā)板的底層鏈路實(shí)現(xiàn)。PC機(jī)的軟件編寫主要實(shí)現(xiàn)鏈路的創(chuàng)建注銷控制、數(shù)據(jù)的組幀、數(shù)據(jù)的傳輸控制、傳輸過(guò)程中的顯示；VirteX-5開發(fā)板主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈路貫通、支持上位機(jī)所定義的幀結(jié)構(gòu)的傳輸過(guò)程。

    如圖1所示，接口適配器功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包含協(xié)議的正確理解，按照協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織、具體的實(shí)現(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)與編寫、結(jié)合VirteX-5底層鏈路的貫通實(shí)現(xiàn)光纖通信接口適配器功能。

2 設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)
2．1 協(xié)議的分析與與裁剪
    針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境應(yīng)當(dāng)對(duì)FC協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，盡可能地有效利用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。FC協(xié)議是一個(gè)具有五層組成的協(xié)議體系。包括：FC-0層、FC-1層、FC-2層、FC-3層、FC-4層。
    各層的功能分別為：
    (1)：FC-O：主要規(guī)定了物理接口，包含傳輸介質(zhì)，收發(fā)器及接口等。
    (2)FC-1：8 B／10 B編碼；串化解串；比特與字同步。
    (3)FC-2規(guī)定了光纖通道的傳輸機(jī)制：
    有序集的檢測(cè)與識(shí)別；FC端口狀態(tài)機(jī)；幀的發(fā)送與接收，幀接收時(shí)要進(jìn)行有效性檢查；流量控制；幀管理；交換與序列管理；數(shù)據(jù)幀與響應(yīng)；多播與廣播；分段與重組；差錯(cuò)檢測(cè)與回復(fù)。
    (4)FC-3：基本鏈路服務(wù)；擴(kuò)展鏈路服務(wù)；查詢組。
    (5)FC-4：映射上層協(xié)議，本文主要是映射MILstd-1553B協(xié)議。
2．2 軟件編程中各模塊的代碼的設(shè)計(jì)
    軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)部分：GUI模塊設(shè)計(jì)、設(shè)備抽象層的設(shè)計(jì)、任務(wù)處理模塊的設(shè)計(jì)、FC的協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計(jì)。
    (1)GUI部分主要是顯示作用，可以對(duì)接口適配器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和界面顯示。GUI模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容有：整體界面、鏈路參數(shù)區(qū)、鏈路建立區(qū)、信息顯示區(qū)。
    (2)設(shè)備抽象層的設(shè)計(jì)。該部分在于屏蔽下層不同物理設(shè)備間的差異；提供較為簡(jiǎn)便的方式，使上層模塊同邏輯進(jìn)行通信。本層需要提供對(duì)上層支持的設(shè)備操作接口及在內(nèi)部通過(guò)封裝WinDriver驅(qū)動(dòng)提供的功能接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)上層的功能支持。
    (3)任務(wù)處理模塊的設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)鏈路和數(shù)據(jù)各自的不同的任務(wù)操作情況。鏈路數(shù)據(jù)區(qū)與文件數(shù)據(jù)區(qū)分別需要保存各自的任務(wù)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，另外，它是 GUI模塊變更LIST的依據(jù)，從而還需要保存下層協(xié)議所具備的狀態(tài)及數(shù)據(jù)。
    (4)FC協(xié)議及物理功能模塊的設(shè)計(jì)。該部分主要描述任務(wù)發(fā)送協(xié)議與鏈路建立協(xié)議。
    ①鏈路建立的注冊(cè)過(guò)程：數(shù)據(jù)傳輸前，需要通過(guò)注冊(cè)建立發(fā)送端與接收端的鏈路。首先，發(fā)送端把待注冊(cè)的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端；然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端建立鏈路。若不滿足相關(guān)檢
查則終止該次注冊(cè)過(guò)程。
    ②鏈路的注銷過(guò)程：當(dāng)需要注銷鏈路時(shí)，首先，發(fā)送端把待注銷的地址ID等信息嵌入幀信息中，發(fā)送幀信息給接收端；然后，接收端收到幀信息后，解讀出相關(guān)的信息，若符合幀的完整性等檢查，則兩端注銷鏈路，若不滿足相關(guān)檢查則終止該次注銷過(guò)程。
    ③數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程：數(shù)據(jù)傳輸是鏈路建立的根本目的，簡(jiǎn)化的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖2所示。

2．3 Virtex-5開發(fā)板的底層保證
    (1)系統(tǒng)構(gòu)造邏輯設(shè)計(jì)主要完成以下幾點(diǎn)功能：
    控制PCIE硬核實(shí)現(xiàn)與上層軟件交互；對(duì)上層傳輸數(shù)據(jù)加CRC校驗(yàn)；完成FC鏈路初始化過(guò)程；完成FC流控功能；完成FC-2差錯(cuò)處理；控制ROCKET I／O把上層軟件數(shù)據(jù)通過(guò)ROCKET I／O發(fā)送；控制ROCKET、I／O把接收恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈榆浖?br />     (2)邏輯設(shè)計(jì)的模塊組成：底層邏輯控制模塊主要完成FC物理層通信，它主要包括發(fā)送模塊、接收模塊和PCIE控制模塊三部分，每個(gè)模塊又根據(jù)功能不同劃分多個(gè)子模塊，在PCIE控制模塊中，有一些緩存來(lái)存放接收模塊傳送過(guò)的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送模塊也會(huì)從PCIE控制模塊的緩存中讀取數(shù)據(jù)傳送出去，其原理框圖如圖3所示。

    數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 該模塊通過(guò)讀取上位機(jī)的狀態(tài)信息來(lái)發(fā)送不同的信息，當(dāng)ACK使能時(shí)，該模塊發(fā)ACK，當(dāng)數(shù)據(jù)使能時(shí)，該模塊就發(fā)送固定幀數(shù)的數(shù)據(jù)，發(fā)送的數(shù)據(jù)是從緩存中讀取，CRC由該模塊添加?？臻e時(shí)就發(fā)送IDLE碼。
    數(shù)據(jù)接收模塊 接收模塊包括接收控制模塊、CRC模塊和臨時(shí)緩存模塊。主要完成數(shù)據(jù)和鏈路控制幀以及準(zhǔn)備信號(hào)的接收，并實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，根據(jù)幀頭來(lái)判斷不同類型的數(shù)據(jù)幀或控制幀，并存入緩存中，同時(shí)將幀的相關(guān)信息也放入相應(yīng)的緩存中。
    PCIE接口控制模塊 該模塊主要根據(jù)PCIE總線上的地址對(duì)應(yīng)的寄存器的值，譯碼成相應(yīng)的使能把PCIE總線上數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送buf-f，ACK發(fā)送 buff反之根據(jù)邏輯輸入的使能，譯碼成對(duì)應(yīng)的PCIE總線上對(duì)應(yīng)地址的對(duì)應(yīng)寄存器的值，并把數(shù)據(jù)接收的buffACK接收buff數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)的PCIE地址上。
2．4 最終實(shí)現(xiàn)
    通過(guò)上位機(jī)與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光纖通道接口適配器的高速性。傳輸效果圖如圖4所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)上位機(jī)與FPGA開發(fā)板的結(jié)合，模擬并實(shí)現(xiàn)了光纖通道在高速數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中接口處的設(shè)計(jì)。盡管該設(shè)計(jì)是上位機(jī)配合FPGA的形式實(shí)現(xiàn)，但僅就設(shè)計(jì)思路而言，對(duì)于實(shí)際開發(fā)光纖通道接口適配器具有一定的借鑒意義。