基于PCIE的多FC子卡測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 0 引言

FC(光纖通道，是Fiber Channel的縮寫(xiě))是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(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(shí)時(shí)性、高可靠性、擴(kuò)展性好、傳輸速率高、抗干擾性強(qiáng)、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(shí)的特點(diǎn)，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(jī)載應(yīng)用要求，為FC產(chǎn)品提供測(cè)試、試驗(yàn)的平臺(tái)，設(shè)計(jì)可靠、高效的機(jī)載FC設(shè)備的測(cè)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(shí)現(xiàn)了FC節(jié)點(diǎn)機(jī)的功能，負(fù)責(zé)為FC網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(duì)被測(cè)設(shè)備的特點(diǎn)，提出了一種基于PCIE接口的多FC子卡的測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)方法，采用PowerPC處理器的PCIE接口，通過(guò)PCIE交換擴(kuò)展多路PCIE總線，從而一次可以進(jìn)行多個(gè)FC子卡的試驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證該測(cè)試設(shè)備通信穩(wěn)定可靠，具有較高的實(shí)用性、通用性和擴(kuò)展性。

1 多FC子卡測(cè)試設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

1.1 被測(cè)對(duì)象分析

FC子卡是嵌入式的FC節(jié)點(diǎn)機(jī)，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(jì)測(cè)試設(shè)備時(shí)主要從以上兩個(gè)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(jī)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(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路組成，F(xiàn)PGA用于實(shí)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(shí)現(xiàn)了FC—AE—ASM通信、時(shí)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(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

多FC子卡測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)需要從以下幾方面考慮：

(1)滿足測(cè)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(yàn)環(huán)境下使用;

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

由于FC子卡對(duì)外主要的接口為PCIE接口和FC接口，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須通過(guò)以上兩個(gè)接口對(duì)設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)和測(cè)試。對(duì)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(kāi)發(fā)和調(diào)測(cè)。同時(shí)為了一次測(cè)試多個(gè)FC子卡，需要使用PCIE交換擴(kuò)展多路PCIE總線。對(duì)于FC接口，F(xiàn)C子卡使用FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，輸出FC電信號(hào)。為了測(cè)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(cè)試設(shè)備，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接板，一方面通過(guò)PCIE接口連接母板和FC子卡，另一方面通過(guò)光電轉(zhuǎn)換電路將FC電信號(hào)和光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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

圖2多FC子卡測(cè)試設(shè)備總體框架

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

多FC子卡測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于PCIE交換和PCIE配置，下面就PCIE交換的選擇和PCIE配置的機(jī)制進(jìn)行描述。

2.1 PCIE交換

選擇PCIE交換芯片時(shí)，需考慮兩點(diǎn)，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(gè)處理器系統(tǒng)連接時(shí)采用非透明橋。

2.2 PCIE總線配置機(jī)制

PCIE和PCI環(huán)境一樣，各種設(shè)備都要連接在樹(shù)形總線上，包含一種或多種功能，該設(shè)計(jì)中FC子卡為單功能設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)首次啟動(dòng)時(shí)，只有處理器中根聯(lián)合體(RC)中的總線0才有編號(hào)，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(shù)上的所有PCIE設(shè)備，并以此分配總線號(hào)和存儲(chǔ)器地址空間。

對(duì)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(jí)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(jí)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(shù)中編號(hào)最大的總線。需要注意的是PCIE交換中有多個(gè)端口，每個(gè)端口都有一個(gè)P2P的橋，內(nèi)部有一條虛總線，配置時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行配置。

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

3 硬件設(shè)計(jì)

多FC子卡測(cè)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(jī)箱中集成，下面主要對(duì)CPU模塊和PCIE交換電路進(jìn)行描述：

3.1 CPU模塊設(shè)計(jì)

在本測(cè)試設(shè)備中，CPU模塊以MPC858處理器為核心，通過(guò)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(shí)現(xiàn)。如圖3，在CPU模塊中移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，繼而以VxWroks為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)板卡的測(cè)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(gè)PCIE端口，通過(guò)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(jì)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(gè)4Lane上行端口和11個(gè)4Lane下行端口，可以滿足測(cè)試設(shè)備的功能要求。

4 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)FC子卡測(cè)試設(shè)備的功能需求和硬件平臺(tái)，測(cè)試軟件運(yùn)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(dòng)軟件和FC測(cè)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(guò)配置才能從CPU端訪問(wèn)FC子卡。FC驅(qū)動(dòng)軟件作為FC子卡的驅(qū)動(dòng)軟件，必須在PCIE配置成功后，才能經(jīng)過(guò)PCIE接口訪問(wèn)FC子卡的硬件資源、控制FC子卡的通信，管理等功能。FC測(cè)試軟件通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件提供的接口，完成對(duì)FC子卡的各種功能、性能測(cè)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(duì)PCIE總線樹(shù)的設(shè)備進(jìn)行枚舉，通過(guò)PCI兼容配置，從CPU端可以訪問(wèn)各個(gè)FC子卡設(shè)備。在本設(shè)計(jì)中，只用到PCI兼容配置機(jī)制，配置過(guò)程和PCI設(shè)備類似，主要需對(duì)MPC8548和PCIE交換開(kāi)關(guān)進(jìn)行配置，內(nèi)容包括配置空間的訪問(wèn)，如何發(fā)現(xiàn)設(shè)備，訪問(wèn)設(shè)備空間等。

在本設(shè)計(jì)中，測(cè)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(chǔ)器地址空間對(duì)FC子卡的BAR空間進(jìn)行映射，從而可以訪問(wèn)FC設(shè)備。

4.2 FC驅(qū)動(dòng)軟件

FC驅(qū)動(dòng)軟件運(yùn)行于主機(jī)上，主要提供訪問(wèn)控制FC設(shè)備、FC通信、時(shí)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(jì)中，測(cè)試軟件完成PCIE配置后，通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)軟件接口訪問(wèn)FC子卡，完成子卡的初始化，再進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試。

4.3 FC測(cè)試軟件

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

5 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)試設(shè)備是否滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)多個(gè)FC子卡進(jìn)行通信功能測(cè)試。驗(yàn)證環(huán)境中，運(yùn)行測(cè)試軟件進(jìn)行FC-AE-ASM通信測(cè)試，F(xiàn)C數(shù)據(jù)從CPU端產(chǎn)生，通過(guò)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(guò)分析儀，從接收通道接收，再?gòu)腇C子卡DMA到CPU端，對(duì)比發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是否一致。測(cè)試環(huán)境如圖7所示、經(jīng)過(guò)串口打印和分析儀捕獲的數(shù)據(jù)，F(xiàn)C子卡運(yùn)行穩(wěn)定可靠，驗(yàn)證了測(cè)試設(shè)備完全滿足實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證的要求，并且該測(cè)試設(shè)備已經(jīng)用于FC子卡的試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果也滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了一種基于PCIE接口的多FC子卡測(cè)試設(shè)備，對(duì)總體設(shè)計(jì)方案、硬件組成和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了該設(shè)備良好的可行性和穩(wěn)定性。該設(shè)備對(duì)提高設(shè)備試驗(yàn)效率，降低科研、生產(chǎn)成本有顯著作用，且通用性、擴(kuò)展性好，對(duì)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。