光纖通道端口狀態機的研究及FPGA實現

劉小剛，周 東

（電子科技大學 a.電子科學技術研究院；b.通信與信息工程學院，四川 成都 611731）

0 引言

光纖通道是一種系統和I/O設備之間高性能數據傳輸接口標準，其傳輸速率高、延遲低、可靠性高[1]，同時綜合了通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性。國內對光纖通道技術的研究比國外晚，并且研究和開發光纖通道的硬件平臺大都必須從國外進口。所以加大對光纖通道協議控制芯片和應用平臺的研究，有利于未來國防建設和國民經濟的發展。

在光纖通道協議控制器中，光纖通道端口（FC_Port）是基本的通信單元。只有當端口狀態機處于激活狀態時FC_Port才能發送和接收數據幀。而FC_Port上電、復位后端口會處于非激活狀態，這就需要數據收發雙方通過一套完整的機制使得端口從非激活狀態轉換到激活狀態。現在研究光纖通道端口狀態機工作原理的基礎上，提出了一種基于FPGA的端口狀態機實現方案，該端口狀態機具有超時定時器、錯誤檢測以及信用度管理功能，在遇到鏈路錯誤時能夠自動執行相應的原語序列協議對鏈路進行恢復，增強了數據鏈路傳輸的可靠性。

1 端口狀態機工作原理

端口狀態機的核心是一個狀態轉移邏輯，表1規定了當前狀態在各種輸入條件下的跳轉狀態，第一行為當前狀態，第一列為輸入信號，表2規定了當前狀態下應該發送的有序集[2]。光纖通道定義了一組有序集作為狀態轉移邏輯的輸入，用于維持端口狀態機的正常工作，常用的有序集有：

①LR，端口要發起鏈路復位協議，或者要從連接超時錯誤中恢復；

②LRR，端口正在接收和識別LR源語序列；

③IDLE，鏈路初始化完成，并且可以用作填充字用來維持鏈路同步；

④OLS，端口正在執行鏈路初始化協議、正在接收NOS源于序列，或者正要進入離線狀態；

⑤NOS，端口探測到鏈路故障，或者端口處于離線狀態而等待接收OLS原語序列。

原語序列協議由一組有序集組成，它有兩種功能：通知另一端口鏈路上發生了某種錯誤；使鏈路兩端的端口都復位從而進入某個確定的狀態[2]。端口狀態機應支持四種原語序列協議，它們分別是：

①鏈路初始化協議：當端口上電、內部復位、或者要從離線狀態退出時執行該協議；

②鏈路復位協議：當鏈路鏈接需要恢復、鏈接超時、或者緩沖到緩沖溢出時執行該協議；

③鏈路故障協議：當失去同步超過時限、丟失信號、或者執行鏈路復位協議超時時執行該協議；

④上線至離線協議：當要降低功耗、或者因要診斷而從激活狀態進入離線狀態時執行該協議。

表1 端口狀態轉換表

表2 端口狀態輸出表

2 硬件邏輯設計思想

光纖通道協議控制器的組成如圖1所示。端口狀態機除了要實現表1和表2中的狀態轉移邏輯之外，還控制著發送通道、接收通道和接口控制邏輯。圖2為端口狀態機的實現，它主要由狀態轉移邏輯、定時器組、錯誤檢測模塊和信用度管理模塊組成。

2.1 狀態轉移邏輯

狀態轉移邏輯的輸出與當前狀態和輸入有關，其核心是一個9狀態的Mealy型狀態機[3]，共需要4比特位進行編碼。如圖1所示，在光纖通道控制器中，幀發送通道負責發送來自端口狀態機的原語序列和來自幀發送模塊的數據幀，發送通道根據圖2中的Channel信號選擇數據源，Channel為高就發送原語序列，反之就發送數據幀。

圖1 光纖通道控制器組成

如圖2所示，當發送模塊沒有數據幀需要發送時，端口狀態機使Channel置高，表明其正在使用發送通道，并且通過PriSeq發送IDLE填充字以保持鏈路的傳輸特性；端口狀態機有更高的優先級，當端口當前狀態PSM_State處于激活狀態AC時，端口狀態機才會讓出通道使用權，使Channel置低。

圖2 端口狀態機設計

2.2 事件超時定時器組

事件超時是指在服務參數[4]中的R_T__TOV時間內沒有收到回復，從表1可以看出事件超時是端口狀態機中引起狀態跳轉的信號之一。當狀態機到達某個狀態時就啟用該狀態的事件超時定時器，如果在 R_T__TOV內沒有收到應答信號，就會產生事件超時。這時狀態機會進入LF2狀態，并執行鏈路故障協議使端口最終復位至AC狀態[5]。

四種原語序列協議涉及到的狀態有 LR1、LR2、LR3、OL1、OL2和LF1，因此需要6個定時器。其核心是一個32位計數器，它的使能信號在進入當前狀態時有效，并使其復位并開始計數。離開當前狀態會使使能信號復位，當計數器到達R_T_TOV時就會產生事件超時輸出。

2.3 錯誤檢測

鏈接錯誤狀態塊（Link Error Status Block）記錄著端口在運行期間遇到的各種錯誤，T11-FC-FS標準規定一個N端口在運行期間會遇到6種錯誤：鏈路故障錯誤、協議錯誤、同步丟失錯誤、信號丟失錯誤、無效傳輸字錯誤和無效CRC校驗錯誤，而設計的端口狀態機能夠檢測到其中前四種錯誤。表3描述了狀態機能夠檢測到的各種錯誤情況，第一行為當前狀態，第一列為輸入信號，NL表示正常，PER表示協議錯誤，LF表示鏈路故障錯誤，SIG表示信號丟失錯誤，SYN表示失去同步錯誤。錯誤檢測模塊會根據狀態轉移邏輯的輸出信號cstate、nstate和各輸入信號判斷是否有錯誤產生，錯誤檢測模塊的輸出會送到圖1中接口控制邏輯中的鏈接錯誤狀態塊，從而使其相應的錯誤計數器的值加一，同時端口狀態機會跳轉到相應的狀態并執行對應的原語序列協議對鏈路進行恢復。

由表1和表3得知，當出現事件超時錯誤時，端口狀態機會跳轉到LR1狀態，進而執行鏈路復位協議對鏈路進行恢復。當出現協議錯誤、同步丟失或信號丟失錯誤時，端口狀態機會跳轉到LF2狀態，進而執行鏈路故障協議對鏈路進行恢復。

表3 鏈接錯誤管理

2.4 信用度管理

流控制在光纖通道中用于調整鏈路兩端端口幀的發送速率，以避免溢出。光纖通道中有多種機制進行流控制，而不同類型的服務使用的流控制機制也不一樣[6]。這里的端口狀態機使用針對3類服務的流控制機制：BB_Credit_CNT和R_RDY。BB_Credit_CNT表示鏈路另一端端口當前已被占用的緩沖區個數。當接收到一幀數據，它就會加一，收到一個R_RDY就會減一；當BB_Credit_CNT等于BB_Credit時，表示對方沒有可用的緩沖區用于接收數據幀，這時就應該停止發送數據幀以防止溢出。

在光纖通道控制器中，只有當端口狀態機處于AC狀態時，幀發送模塊才能夠申請發送通道的使用權。進入AC狀態表明通信的兩端口已執行完原語序列，這時雙方的接收緩沖區都會清空。因此信用度管理模塊的輸出信號Reset_BB_Credit會送到發送通道，用于將 BB_Credit_CNT清零。

3 仿真結果

基于前面的分析，使用 Verilog描述語言對端口狀態機進行了功能設計和仿真試驗。試驗中將2個端口狀態機A和B進行互連，將各自的原語序列輸出端連接到對方的原語序列輸入端。如圖3所示，端口狀態機A和B上電之后都進入狀態OL1（0110）,然后兩端口執行鏈路初始化協議，相繼經過狀態OL2（0111）、LR2（0010）和LR3（0011）最終到達AC（0000）狀態。仿真試驗中使端口狀態機 A遇到無信用度的錯誤(NoCredit)，這時兩端口開始執行鏈路復位協議，并經過狀態LR1（0001）、LR2（0010）和LR3（0011）后最終到達激活狀態AC。

圖3 端口狀態機仿真結果

4 結語

提出了一種光纖通道端口狀態機的設計方法，并根據光纖通道協議標準FC-FS-3實現了該設計。試驗結果表明端口狀態機功能正常，在各輸入下能正確跳轉并能輸出相應的原語序列，在遇到錯誤或故障時能夠執行相應的原語序列協議從而進行鏈路恢復，該端口狀態機能成功地與其它模塊互連組成光纖通道控制器。

[1] 林強，熊華剛，張其善.光纖通道綜述[J].計算機應用研究,2006(02):9-13.

[2] Martin Siewa Logic.Fiber Channel Framing and Signaling[S].New York: American National Standards Institute, 2006.

[3] 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京:北京航空航天大學,2003:35-60.

[4] Robert Kembel.Fiber Channel-Link Services[S].New York:American National Standards Institute, 2007.

[5] 雷艷靜，馮萍，曾小薈,等.光纖通道中N端口狀態機OPNET建模[J].計算機工程與應用,2005(22):21-23.

[6] 蔡昭權，秦磊華.光纖通道流量控制協議性能分析與應用[J].通信技術,2008,41(05):111-112.