淺談基于SOPC技術的光纖通道網絡接口卡的實現

潘洋

摘要：文章介紹了一種基于SPOC系統的光纖通道網絡接口卡的方案，該設計以NiosⅡ作為軟核處理器，將其與網絡接口卡控制邏輯集成在FPGA芯片中，采用流水技術實現數據的發送以及接收。測試結果顯示，該設計通信協議簡單，具有可靠的通信性能，使系統的穩定性大大提高。此外自定義功能促進了NIC的快速開發。

關鍵詞：SPOC；光纖通道；網絡接口卡

光纖通道最早是由美國開發出來的，屬于一套技術標準，不僅具有較高的帶寬和可靠性，而且誤碼率低，數據傳輸速率快，高達Gbps數量級。但是光纖通道一個最大的問題在于幀格式冗長，受到幀格式的影響，在通信時就會出現非常嚴重的延遲現象，為了解決這一問題，有的高校根據光纖通道標準提出了信令尋徑式交換技術的高速光纖傳輸交換網絡，這一改進不僅提高了網絡的效率，而且成本也比較低。本文所設計的網絡接口卡就是在這一集群網絡上開發出來的，優勢顯著，發展前景廣闊。最初網卡是基于FPGA實現的，簡單來說就是將網絡接口卡的全部功能都集中在FPGA芯片上，由技術人員自己對控制邏輯部分進行設計，近年來，高集群系統對節點機通信性能的要求越來越高，而另—方面，Altera公司開發出了NiosⅡ嵌入式處理器，這也意味著對更加智能化的網絡接口卡進行研究尤為必要。

1 SPOC與Nios Ⅱ技術介紹

SPOC，簡單來說就是一種系統設計技術，是在FPGA基礎上實現系統設計的。該技術不僅靈活，而且高效地將I/O、存儲器和處理器以及系統開發所涉及到的其它部件全都集中在一個PLD上，從而形成可編程片上系統。

NiosⅡ是在第一代Nios軟核處理器基礎上發展而來的。該處理器最大的特點在于用戶可以根據自身需求對其功能進行定制，靈活性更高，速度也更快一些。該公司推出的軟件以及硬件能夠使設計者在盡可能短的時間內設計出功能強大的處理器系統。在SPOC下，設計者側重于系統的功能以及整體構架，對于電路設計等細節部分則不需要進行長時間的考慮，并且設計出來的系統更可靠、穩定。

2 NIC方案設計

網絡接口卡主要是由3部分組成的，分別是FPGA（基于嵌入式Nios軟核）芯片、光收發器、串并信號轉換器件。芯片是由NIC、CPU組成，NIC由3部分組成，分別是收發控制邏輯、PCI接口控制以及8b/10b轉換。PCI接口控制和PCI總線、收發控制邏輯和片外存儲器相連、8b/10b轉換和并信號轉換器件分別連接到一起。其數據傳輸串行速率為1.0625Gbps，信號的傳輸是由光纖實現的。首先，光收發器自動接收光信號，然后將其轉換為電信號，通過差分電路將電信號傳送至串并轉換器件，對信號進行轉換，生成10bit并行信號，最后再將信號傳送至FPGA芯片，按照要求進行處理，將處理完的數據傳送至總線傳回節點機內存。發送過程正好與NIC接收過程相反。此次設計將所有邏輯電路全都集中在一片FPGA中，不僅結構更加緊湊，而且延遲比較小，起到了優化系統的重要作用，使NIC傳輸速率得以大大提高。

3 NIC結構設計

3.1 功能部件

光收發器簡單來說就是負責接收光信號的功能部件，對接收到的信號進行轉換之后，再輸出到指定器件，同時還包括待發送電信號的轉換和發送。

在該設計中首先需要解決的一個問題就是字同步，接下來的功能設計都是以此為基礎的，因此，解決好這一問題尤為重要。光纖傳輸的信號都是并行信號，借助光接收器件將其轉變為串行信號，然后由串并轉換器件進行轉換就可以實現字同步。但需要注意的是，元語系列和幀定界符全部為一個字，并且總線也是以字為單位對數據進行傳輸，所以，字同步是非常重要的，可以說是整個設計的關鍵。

NIC控制邏輯：（1）接口控制。這不僅是設計的難點，同時也是重點之一。接口控制的主要任務就是建立起主機對網卡的控制關系，一般來說是通過網卡專有命令實現控制的。在不同時間，網卡都要以主/從模式進行工作，由VHDL語言描述實現這一部分控制邏輯。在主模式狀態下，主要是對DMA下數據傳輸進行控制；而在從模式狀態下，就需要對網卡設備進行配置，在該模式下，需要解決的問題有，讀取網卡狀態，向網卡發送控制信號等。

8B/10B編解碼邏輯的主要功能就是對8B/10B編解碼進行控制。一個字為8bit，通過8B/10B就可以將8bit轉換為10bit，以光纖為媒介，將字發送至接收方，接收與這一過程正好完全相反，在接收到10bit的編碼之后，通過10B/8B將接受到的信號轉換成8bit編碼，存儲在接收緩沖區中。

3.2 硬件結構

以Nios Ⅱ為基礎對網絡接口卡進行設計，結構的組成一共包括3個層次：分別是硬件層、應用層以及抽象層，硬件層設計硬件系統，應用層設計應用程序，抽象層為硬件驅動。

本次設計一共選取了3種型號，分別是經濟、標準、快速，每一種型號占用的邏輯單元數目都是不同的，并且這3種型號都優化了性能以及價格，應用范圍也比較廣闊。本文選擇的是經濟型。添加Avalon slave port接口，主要功能是實現對Nios Ⅱ的訪問和控制片外SRAM。這樣一來就能夠對數據傳輸進行控制，從而實現對整個系統的控制。SRAM通過三態橋得以從總線接口到加入到系統。具體步驟：對相關信息進行設置，然后再設置建立、保持、等待時間等，這些操作完成之后就可以將SRAM添加到系統中。在調試時需要對建立、保持、等待時間進行反復修改，直到能夠正確訪問方可停止修改。為了能夠將JTAG、SRAM以及ROM與總線連接到一起，需要添加三態橋，只有這樣，構建的嵌入式系統才完整。

在.bdf文件中將信號連接到一起，按照要求進行布局布線，然后可以對系統進行仿真測試，將.pof文件下載到硬件電路板上，進行多次調試和方案修改，直到能夠滿足設計要求。系統采用主動串行模式AS方式進行配置，將文件下載到EPCS中，這樣一來，系統的自動配置功能即可實現，完成之后就可以進行通信。系統時鐘是由晶振提供的，系統配置是由全部配置器件實現的。

4 測試結果分析

通過表1能夠直觀看出，在通信延遲方面，信令尋徑式光纖傳輸交換網要優于千兆以太網；在帶寬方面，前者明顯高于后者，近3倍；在數據傳輸率方面前者也要高于后者，但是并不明顯。通過表2測試數據能夠看出，本文設計的網絡接口卡能夠確保邏輯的可實現性，并且通信性能優越，系統穩定、可靠。

5 結語

綜上所述，本文對基于SOPC技術的光纖通道網絡接口卡的實現進行了研究。本文所設計的網絡接口卡是基于SOPC技術實現的，與以往設計技術相比，系統效率更高，也更穩定。緩沖區的擴展使發送和接收實現了流水操作，通信協議變得更加簡單。另外，本設計采用的是嵌入式設計技術，這樣一來今后開發智能網卡就比較簡單，這也是本次設計一個最大的亮點。