基于PCIE的多FC子卡測試設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

 0 引言

FC(光纖通道，是Fiber Channel的縮寫)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(ANSI)的X3T11工作組于1988年提出的一種高速串行傳輸協(xié)議，具有高帶寬、高實時性、高可靠性、擴展性好、傳輸速率高、抗干擾性強、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和服務(wù)類型靈活、支持多種上層協(xié)議和底層傳輸介質(zhì)等特性，為了適應(yīng)航空電子環(huán)境的應(yīng)用，光纖通道提供了一組在航空電子環(huán)境中應(yīng)用的協(xié)議子集FC-AE(fiber channel avionics environment)，它規(guī)范了民用和軍用航空光纖通道交換網(wǎng)絡(luò)與環(huán)路拓?fù)溥B接設(shè)備的選擇，F(xiàn)C—AE基于匿名簽署消息(ASM)的上層映射FC-AE-ASM，具有消息傳輸安全、低延時的特點，適用于航空電子中處理器與傳感器和顯示器之間的通信。因此，F(xiàn)C已成為新一代先進(jìn)綜合式航空電子網(wǎng)絡(luò)互連的首選方案。

為了保證FC產(chǎn)品能夠滿足機載應(yīng)用要求，為FC產(chǎn)品提供測試、試驗的平臺，設(shè)計可靠、高效的機載FC設(shè)備的測試設(shè)備十分必要。FC子卡是廣泛應(yīng)用在航電系統(tǒng)中的一種FC產(chǎn)品，F(xiàn)C子卡實現(xiàn)了FC節(jié)點機的功能，負(fù)責(zé)為FC網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點提供FC通信連接等功能，為多種應(yīng)用數(shù)據(jù)提供通信支撐。

文章針對被測設(shè)備的特點，提出了一種基于PCIE接口的多FC子卡的測試設(shè)備的設(shè)計方法，采用PowerPC處理器的PCIE接口，通過PCIE交換擴展多路PCIE總線，從而一次可以進(jìn)行多個FC子卡的試驗測試，經(jīng)過驗證該測試設(shè)備通信穩(wěn)定可靠，具有較高的實用性、通用性和擴展性。

1 多FC子卡測試設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

1.1 被測對象分析

FC子卡是嵌入式的FC節(jié)點機，作為航電子系統(tǒng)接入FC網(wǎng)絡(luò)的接口，一方面具備與航空電子系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行信息交互的接口，即FC接口，支持FC—PI、Fc—FS和FC—AE—AsM協(xié)議，F(xiàn)C接口鏈路速率2.125Gbps。另一方面擁有與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口，從而可以將網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)提交給應(yīng)用，也可以將應(yīng)用的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。因此設(shè)計測試設(shè)備時主要從以上兩個方面考慮。

考慮到結(jié)構(gòu)和速率等要求，F(xiàn)C子卡采用X4PCIE主機接口，工作頻率為2.5Gb/s，使用標(biāo)準(zhǔn)的XMC結(jié)構(gòu)。由FGPA、配置電路、RS232接口、FLASH接口、時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路組成，F(xiàn)PGA用于實現(xiàn)FC接口、PCIE接口及片上處理器，硬件框圖如圖1所示。FC子卡主要實現(xiàn)了FC—AE—ASM通信、時間同步、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，保證航電數(shù)椐傳輸?shù)耐暾院涂煽啃浴?/p>

1.2 測試設(shè)備設(shè)計

多FC子卡測試設(shè)備設(shè)計時需要從以下幾方面考慮：

(1)滿足測試產(chǎn)品功能、性能的要求;

(2)考慮在溫度沖擊、濕熱等惡劣的試驗環(huán)境下使用;

(3)考慮一次試驗中盡可能多的測試被測設(shè)備，提高資源利用率和試驗效率。

由于FC子卡對外主要的接口為PCIE接口和FC接口，因此設(shè)計時必須通過以上兩個接口對設(shè)備進(jìn)行訪問和測試。對于PCIE接口，使用具有PCIE接口的PowerPC處理器模塊，且該模塊需要具備以太網(wǎng)、FLASH、SRAM、串口等必備的外圍接口，從而可以在其上進(jìn)行軟件開發(fā)和調(diào)測。同時為了一次測試多個FC子卡，需要使用PCIE交換擴展多路PCIE總線。對于FC接口，F(xiàn)C子卡使用FPGA進(jìn)行實現(xiàn)，輸出FC電信號。為了測試FC協(xié)議符合性、功能及性能等一系列內(nèi)容，連接外部測試設(shè)備，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，需要設(shè)計轉(zhuǎn)接板，一方面通過PCIE接口連接母板和FC子卡，另一方面通過光電轉(zhuǎn)換電路將FC電信號和光信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

為了滿足高帶寬、通用性和惡劣的試驗環(huán)境下使用，采用3U VPX結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過母板和轉(zhuǎn)接板連接主機和子卡。測試設(shè)備的總體框架如圖1所示。

圖2多FC子卡測試設(shè)備總體框架

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

多FC子卡測試設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵點在于PCIE交換和PCIE配置，下面就PCIE交換的選擇和PCIE配置的機制進(jìn)行描述。

2.1 PCIE交換

選擇PCIE交換芯片時，需考慮兩點，首先根據(jù)系統(tǒng)需求和上行和下行端口連接的PCIE設(shè)備的線寬、速率、數(shù)目等要求，選擇合適的配置，其次選擇PCIE交換為透明橋還是非透明橋，一般在單處理器系統(tǒng)中使用透明橋，在進(jìn)行多個處理器系統(tǒng)連接時采用非透明橋。

2.2 PCIE總線配置機制

PCIE和PCI環(huán)境一樣，各種設(shè)備都要連接在樹形總線上，包含一種或多種功能，該設(shè)計中FC子卡為單功能設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)首次啟動時，只有處理器中根聯(lián)合體(RC)中的總線0才有編號，其他總線還有待發(fā)現(xiàn)。配置軟件使用深度優(yōu)先搜索算法掃描PCIE總線樹上的所有PCIE設(shè)備，并以此分配總線號和存儲器地址空間。

對于RC或者PCIE交換使用Type1配置頭，必須初始化主總線(Primary Bus Number)、二級總線(Secondary Bus Number)和從總線(Subordinate BusNumber)寄存器，主總線為RC或者橋上游的總線，二級總線為下游的總線，從總線是從下向上分配的，為當(dāng)前PCIE子樹中編號最大的總線。需要注意的是PCIE交換中有多個端口，每個端口都有一個P2P的橋，內(nèi)部有一條虛總線，配置時根據(jù)數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行配置。

在橋管理的PCIE子樹中有許多PCIE設(shè)備，這些PCIE設(shè)備可能有自己的存儲器地址空間需要被CPU訪問，通過配置橋的Mernory Limit和Memory Base寄存器，即可實現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備空間的訪問。這兩個寄存器用于存放PCIE子樹上所有設(shè)備的存儲器地址空間集合的基地址和大小。

3 硬件設(shè)計

多FC子卡測試設(shè)備硬件由CPU模塊、PCIE交換電路、母板和轉(zhuǎn)接板組成，以上組成部分在機箱中集成，下面主要對CPU模塊和PCIE交換電路進(jìn)行描述：

3.1 CPU模塊設(shè)計

在本測試設(shè)備中，CPU模塊以MPC858處理器為核心，通過連接FLASH、內(nèi)存、PCIE接口、網(wǎng)口、串口以及其他接口控制電路實現(xiàn)。如圖3，在CPU模塊中移植嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks，對設(shè)備驅(qū)動進(jìn)行二次開發(fā)，繼而以VxWroks為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)測試程序，實現(xiàn)板卡的測試任務(wù)。

3.2 PCIE交換電路

PCIE交換芯片選用PLX公司的新一代非阻塞、低延遲交換芯片，支持48Lane，12個PCIE端口，通過靈活的硬件配置和軟件編程使PCIE交換支持多種端口配置。在本設(shè)計中，將交換芯片配置為透明橋，且由于FC子卡為4Lane PCIE接口，配置1個4Lane上行端口和11個4Lane下行端口，可以滿足測試設(shè)備的功能要求。

4 軟件設(shè)計

依據(jù)FC子卡測試設(shè)備的功能需求和硬件平臺，測試軟件運行在VxWorks5.5操作系統(tǒng)上，主要包括三部分軟件，PCIE配置軟件、FC驅(qū)動軟件和FC測試軟件。PCIE配置軟件主要用于配置CPU、PCIE交換芯片和FC子卡的PCIE接口，通過配置才能從CPU端訪問FC子卡。FC驅(qū)動軟件作為FC子卡的驅(qū)動軟件，必須在PCIE配置成功后，才能經(jīng)過PCIE接口訪問FC子卡的硬件資源、控制FC子卡的通信，管理等功能。FC測試軟件通過調(diào)用驅(qū)動軟件提供的接口，完成對FC子卡的各種功能、性能測試。其層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4.1 PCIE配置軟件

PCIE配置軟件的主要功能是對PCIE總線樹的設(shè)備進(jìn)行枚舉，通過PCI兼容配置，從CPU端可以訪問各個FC子卡設(shè)備。在本設(shè)計中，只用到PCI兼容配置機制，配置過程和PCI設(shè)備類似，主要需對MPC8548和PCIE交換開關(guān)進(jìn)行配置，內(nèi)容包括配置空間的訪問，如何發(fā)現(xiàn)設(shè)備，訪問設(shè)備空間等。

在本設(shè)計中，測試設(shè)備的總線示例如下：

最后根據(jù)FC子卡所在的總線和分配的存儲器地址空間對FC子卡的BAR空間進(jìn)行映射，從而可以訪問FC設(shè)備。

4.2 FC驅(qū)動軟件

FC驅(qū)動軟件運行于主機上，主要提供訪問控制FC設(shè)備、FC通信、時鐘同步、網(wǎng)絡(luò)管理等功能的接口，用于上層軟件調(diào)用從而滿足應(yīng)用具體的要求。在該設(shè)計中，測試軟件完成PCIE配置后，通過調(diào)用驅(qū)動軟件接口訪問FC子卡，完成子卡的初始化，再進(jìn)行相關(guān)的測試。

4.3 FC測試軟件

FC測試軟件主要使用測試設(shè)備搭建的平臺，進(jìn)行FC子卡的各種測試，可以實現(xiàn)單個FC子卡的功能、性能測試，也可以實現(xiàn)試驗環(huán)境下多個FC子卡的通信測試。通過調(diào)用驅(qū)動軟件，測試軟件可以完成以下測試：包括FC子卡硬件資源測試、FC協(xié)議符合性測試、通信功能的測試、時鐘同步功能測試、網(wǎng)絡(luò)管理功能測試、FC通信帶寬測試等其他功能的測試。

5 驗證

為了驗證測試設(shè)備是否滿足設(shè)計要求，需要對多個FC子卡進(jìn)行通信功能測試。驗證環(huán)境中，運行測試軟件進(jìn)行FC-AE-ASM通信測試，F(xiàn)C數(shù)據(jù)從CPU端產(chǎn)生，通過PCIE接口DMA到FC子卡內(nèi)部，然后從FC子卡發(fā)送出去，經(jīng)過分析儀，從接收通道接收，再從FC子卡DMA到CPU端，對比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是否一致。測試環(huán)境如圖7所示、經(jīng)過串口打印和分析儀捕獲的數(shù)據(jù)，F(xiàn)C子卡運行穩(wěn)定可靠，驗證了測試設(shè)備完全滿足實驗室測試驗證的要求，并且該測試設(shè)備已經(jīng)用于FC子卡的試驗測試，測試結(jié)果也滿足試驗要求。

6 結(jié)束語

文章介紹了一種基于PCIE接口的多FC子卡測試設(shè)備，對總體設(shè)計方案、硬件組成和軟件設(shè)計進(jìn)行了闡述，通過測試驗證了該設(shè)備良好的可行性和穩(wěn)定性。該設(shè)備對提高設(shè)備試驗效率，降低科研、生產(chǎn)成本有顯著作用，且通用性、擴展性好，對于其他類型的PCIE/PCI接口設(shè)備有很好的參考意義和借鑒作用。