光纖通道總線采集器中高速數據傳輸技術的研究與實現

張袁志 張延練

摘 要 新一代航空電子系統將光纖通道作為首要高速串行總線，光纖通道具有通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性，當前流行的通道標準和網絡協議都可以依托光纖通道運行。目前其傳輸速率高達1Gbps以上，要采集記錄光纖通道航電總線數據，重點與難點將是系統間的高速數據傳輸技術。文章研究應用PCIe總線體系結構，采用軟件硬件化思想，利用DMA讀取方式來完成采集記錄來自光纖通道網絡的高速數據。

關鍵詞 光纖通道；總線數據采集；PCIe

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）217-0146-03

數據總線技術發展越來越快，在部隊使用中越來越廣泛。目前已發展到光纖通道數據總線階段。當前電子戰時代，數據信息作為重要的戰略資源，傳輸越來越迅捷，各個武器裝備之間的信息交換量越來越大，要求越來越高。在此大環境下，航空電子系統急需一種先進快速的數據傳輸總線來傳輸航空器系統的大量的數據信息。光纖通道（Fiber Channel）作為新一代航空電子高速串行總線[ 1 ]，光纖通道具有通道傳輸的高速性和網絡傳輸的靈活性，當前流行的通道標準和網絡協議都可以依托光纖通道運行。因此，以光纖通道來替代傳統總線將成為先進的綜合航電系統互聯的必然選擇[2]。

1 光纖通道在航空電子環境的應用

航空電子環境發展日新月異，光纖通道根據使用環境發展變化提供了一組有關在航空電子環境中應用的協議子集FC-AE（Fiber Channel Avionics Environment），規范了在航空環境中光纖通道交換網絡與環路拓撲連接設備的選擇。FC定義了點對點（Point-To-Point）、仲裁環（Arbitrated Loop）和交換機（Fabric）3種基本的拓撲結構[3]。目前成立了一個研究光纖通道用于航空電子環境的分委員會（ANST FC-AE），主要作用是描述并發展對光纖通道基本標準的航空電子增強專用系統[4]。FC-AE包含了無簽名的匿名消息傳輸（ASM）、MIL-STD-1553高層協議、虛擬接口（VI）、FC輕量協議（FCLP）、遠程直接存儲器訪問協議（RD-MA）5個不封。每個部分都可用于不同的航空電子系統，達到高速傳輸數據的目的。

2 光纖通道航電總線采集系統方案設計

光纖通道由于其通信速率高的優點在當今信息時代得到廣泛應用，目前光纖的速率高達達到2Gb/ s甚至4Gb/s。要對光纖通道傳輸的數據進行測試，首先應滿足測試設備具備高的傳輸帶寬。從這方面講，系統設計首先要保證帶寬足夠不丟數據，同時還要有比光纖通道更高的數據傳輸處理速度。設計方案為達到高速數據傳輸處理的目的選用了第3代I/O總線標準PCIe作為系統的傳輸總線。本系統硬件主要實現光纖通道數據的接收和存儲，首先將接收到的光信號通過光電轉換器成電信號，然后傳輸至現場可編程陣列（FPGA）內部，PCIe協議在FPGA內完成，通過PCIe總線傳輸至PC內存進行數據打爆，數據打包通過千兆以太網傳送到機載通用數據記錄器進行記錄。設計方案如圖1所示。

3 高速傳輸技術研究與實現

3.1 硬件平臺設計

硬件設計首先是通過前端將光信號轉換成電信號。設計核心是通過FPGA的硬核實現高速數據接收、處理和傳輸，同時打上系統時間標記，恢復出的數據放入DDR2緩存，然后主機以直接存儲器存取（Direct Memory Access，DMA）方式讀入內存待后端用戶應用軟件處理。本系統硬件設計的關鍵是光纖通道數據的事實高速的數據接收、處理和傳輸。硬件設計的整體框圖，如圖2所示。

硬件平臺主要有光纖接口模塊，FPGA主控模塊，PCIe總線邏輯，DMA控制邏輯，DDR2高速緩存模塊，電源管理模塊，時鐘管理模塊和復位電路等組成。

3.2 FPGA設計

根據系統設計要求，FPGA選型首先考慮支持PCIe 4Lanes接口、具備PowerPC處理器硬核、以及邏輯規模3個方面。XC5VFX200T器件具有24路的RocketIO和多達960個用戶IO，其RocketIO支持CRC編碼生成和校驗、支持150Mbps～6.5Gbps多種通信速率、支持SATA、PCIe、RapidIO、接收器可以根據編程實現時間均等功能、以及FC等多種高速通信接口編碼和電平特性；根據各個型號性能比較后，采用了V5的FXT系列。該系統有兩個PowerPC核心，單核心最高主頻550MHz，處理能力1000DMIPS；具備一級數據和指令Cache，大小均為32KB；具有7級流水線，Switch總線結構，單周期多指令以及指令亂序執行能力，并集成DMA控制器。

3.3 基于PCIe總線高速傳輸技術

3.3.1 PCIe總線介紹

PCI Express（PCIe）是第三代I/O總線技術，它采用串行、點到點的總線連接結構，編程概念及通信標準沿用現有的PCI標準，軟件與PCI向下兼容，目前用來連接第三代通信設備。編碼采用8b/10b機制，以此來保證數據傳輸的連續性，PCIe總線在通信模式方面采用時鐘數據恢復同步技術，有效避免了時鐘和數據的不同步，保證數據傳輸的連續性和可靠性。另外PCIe采用LVDS信號，電壓小功耗低，廣泛應用于通信系統中。目前單個信道帶寬高達250MBps。信道可以以x1、x2、x4、x8、x16和x32 的的方式組合，達到極高的傳輸帶寬。由于PCIe總線的顯著優點，逐漸取代PC I總線而得到了廣泛的應用[3]。

3.3.2 PCIe接口設計

PCIe協議非常復雜，在實際應用中為了實現PCIe協議解析的快速性與實時性，設計將采用“軟件硬件化”設計思路應用到光纖通道航電總線采集器，硬件選用FPGA具有PCIe協議處理能力，同時內嵌PCIe端點模塊。利用頂層協議的靈活性有效地平衡數據解析、高速傳輸的實時性，通過硬件實現高速解析上層協議的結果。PCIe接口集成物理層、鏈路層、傳輸層，系統時鐘和復位接口，包含了多條發送和接收鏈路，通過配置接口，可讀取PCIe核內部的配置寄存器，判斷IP核的當前狀態。PCIe 核的邏輯結構見圖3所示。

設計使用的DMA引擎在該邏輯結構的基礎上增加，DMA直接通過主機接管所有的FC幀的數據內容傳輸，每條PCIe總線提供至少200MB/s的主機通信帶寬。V5器件集成的PCIe硬核通過在User Application接口（PCIe Local接口）增加DMA以及ASM協議調度收發邏輯，通過設備控制和協議處理功能實現各個模塊之間數據通信，完成高速光纖通道數據的接收處理和傳輸。PCIe接口是系統各個模塊之間數據交換的接口，主機各個模塊之間的數據訪問都是通過PCIe接口實現的。

3.4 DMA控制器

一種不經過CPU而直接在內存與外設之間進行數據交換的模式即是DMA方式。DMA適用于大規模數據交換的場合，各個模塊之間實現高吞吐率，高性能，低CPU占用率。PCIe總線與各個模塊之間數據交互通過DMA方式進行。DMA模式基于FPGA實現簡單，方案中只需對FPGA的幾個寄存器操作就可設置PCIe總線的DMA工作方式。通過實驗室數據傳輸對比分析，DMA模式更能發揮PCIe總線的寬帶優勢，經過測試表明，通過DMA模式的數據傳輸速度達到了普通模式的4倍之多。因此方案設計中采用FPGA變成實現DMA模式下的數據傳輸。

4 結論

技術方案經過邏輯仿真FPGA實現和實驗室聯試，結果證明：光纖通道總線采集器高速通信傳輸接口滿足FC網絡的高速測試需求，實現了光纖通道總線采集器采集FC網絡數據高速采集、處理和傳輸要求。文章應用PCIe總線體系結構，采用軟件硬件化思想，利用DMA讀取方式來實現光纖通道航電總線采集器中高速數據傳輸與處理，對光纖通道總線試飛測試技術的研究和應用具有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]Fibre Channel Avionics Environment[S]. ANSI. 2002.

[2]馬萍，唐衛華，李緒志.基于PCI Exp ress總線高速數采卡的設計與實現[J].微計算機信息，2008，24（25）：116-118.

[3]楊阿鋒，吳帥，劉凱，等. PCIe接口高速數據傳輸卡的驅動程序開發[J].中國測試技術，2008，34（2）：115.