一種SRIO接口FC節點機的設計和實現

徐玉杰　朱志強　孟博

摘要：隨著FC網絡的發展及大量部署，FC節點機的需求越來越大。為了滿足用戶對嵌入式FC節點機主機接口多樣化要求，文章提出了一種基于SRIO總線FC節點機的設計與實現方案，主要采用FPGA作為邏輯設計芯片，實現接口數據收發、協議轉換等功能，滿足了對嵌入式FC節點機功能、功耗和重量等要求，達到了設計的預期目標。

關鍵詞：SRIO接口;FC節點機;軟核

中圖分類號：TP336;V243? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）08-0112-02

1 引言

機載網絡逐漸成為機載系統乃至飛機的核心部件，已涉及航電、機電、飛控等安全關鍵系統。隨著軍用飛機綜合化程度的不斷深入、綜合化范圍的不斷擴大，在同一個機載網絡平臺上兼容不同安全關鍵等級、傳輸帶寬的通信傳輸，以同時滿足航電、機電和飛控系統的通信要求，已是大勢所趨。光纖通道（FC）的高帶寬、低延遲、低誤碼率、靈活的拓撲結構和服務類型、支持多種上層協議和底層傳輸介質以及具有流量控制功能，使得它能很好地滿足綜合模塊化航空電子系統的互連要求[1]。

高速串行輸入輸出（SRIO：Serial Rapid Input and Output）是航電系統中板級互聯和芯片級互聯的佼佼者，具有高帶寬、低延遲、高可靠性等優點。SRIO總線作為一種高速串行總線，因其支持點到點通信，也可通過交換實現星型及網型拓撲結構，大系統可最多互聯65536個節點，滿足嵌入式領域所需的靈活性、可擴展性等要求[2]。

SRIO接口FC節點機作為一種嵌入式多功能接口單元，嵌入各分系統功能模塊中，實現各分系統的FC網絡通信處理及接口功能。目前PCIE接口的FC節點機已大量使用，但隨著各分系統中越來越多地使用SRIO總線作為分系統內部總線，SRIO接口的FC節點機正成為用戶的選擇。

2 節點機設計

本文所設計的SRIO接口FC節點機以FPGA為核心處理器完成協議處理，實現SRIO與FC之間的協議轉換。邏輯設計過程中對于處理時效要求高的MAC層、FC-ASM消息等功能由可編程邏輯完成，處理復雜的FC-ELS消息、主機接口控制指令等功能由軟核實現。

2.1 硬件設計

FC節點機硬件主要包含FPGA、存儲器電路、電源電路、時鐘電路及復位電路等，其原理設計如圖1所示。

FPGA選用某公司生產的K系列可編程邏輯器件，該器件內部集成了BRAM、邏輯單元、CMT及GTX等資源，支持各種高速接口。

SRIO接口節點機以FPGA為核心處理單元，外圍電路主要提供電源、時鐘、復位及存儲功能，用于FPGA工作所需的各檔電壓、時鐘、復位和數據存儲功能。

2.2 邏輯設計

SRIO接口FC節點機邏輯基于可編程邏輯器件進行設計，實現外部SRIO接口及FC接口的高速數據收發、協議轉換等功能。內部集成軟核，構建嵌入式片上系統，用于實現控制及用戶指令解析等對數據處理能力要求不高的業務。節點機邏輯功能框架如圖2所示。

基于軟核的片上可編程系統通過AXI總線將各個功能組件或外設進行交聯。通過編寫相應的執行固件，用于實現SRIO接口配置、FC節點機管理、協議轉換控制、存儲器管理等。以軟核為處理器的片內控制系統連接見圖3所示。

SRIO接口至FC網絡接口數據傳輸示意圖如圖4所示，節點機通過SRIO主機接口獲取用戶指令，由節點機DMA控制器在主機數據準備就緒后發起DMA讀操作，將待發送數據搬移至FPGA片內緩沖區。

協議轉換實現SRIO數據與FC協議數據的轉化及轉發，FC端口數據傳輸協議采用FC-AE-ASM，主機發送的SRIO數據按照ASM消息封裝規則轉換為ASM單幀消息或流消息，發送至FC發送端口實施發送。

FC數據發送支持ASM消息發送以及FC-ELS消息發送，其中ASM消息來源于SRIO發送的數據，ELS消息來源于軟核發送的協議控制類數據。

FC網絡接口至SRIO接口數據傳輸示意圖如圖5所示，FC接口各通道MAC支持ASM及FC-ELS消息接收。FC接口組件依據輸入FC幀類型區分ASM消息及FC-ELS消息實施數據分流，其中ASM消息經片內緩沖處理后發送至協議轉換單元實施協議轉換，FC-ELS消息則發送至軟核進行分析處理。

FC-MAC接收后的數據交由協議轉換單元處理，在協議轉換控制單元干預下，將ASM消息單幀數據以流水方式轉換為SRIO數據塊，節點機向主機發起DMA請求前，將數據放置在指定的緩沖區中，SRIO接口的數據接收對象以單個ASM消息為單位進行搬移和重組，數據搬移后，向主機發出門鈴，完成數據轉換及傳輸。

2.3 軟件設計

基于軟核及邏輯設計實現的FC節點機，軟件主要分兩部分：駐留在節點機中的固件及駐留在主機處理器的驅動軟件。固件通過SRIO和FC接口接收命令和數據，執行相應命令，協助FPGA完成SRIO及FC接口配置、協議轉換控制及存儲資源訪問等功能。

3 FC節點機的驗證

為驗證FC節點機的各項功能，構建兩種典型的驗證環境：FC節點機對傳通信和分系統環境下通信。對節點機進行了主機接口命令解析、協議轉換、數據通信等功能的測試。在節點機中設計兩種業務流的數據，同時進行通信，監控設備捕獲節點機發送到網絡中的各種數據幀，查看FC消息，根據數據解析出的目的MAC地址、源MAC地址、負載數據等信息，驗證了FC節點機依據配置進行正確協議轉換及數據收發。通過檢查接收節點機收到的數據內容以及其處理過程，驗證了節點機的功能。

4 結論

本文主要研究了SRIO接口的FC節點機的設計和實現，提出了使用軟核和可編程邏輯結合的節點機設計方案實現SRIO接口FC節點機，搭建了點到點拓撲的機載網絡驗證環境，對節點機的接口指令、協議轉換及高速數據收發進行了驗證。結果顯示，該方案設計實現的SRIO接口FC節點機能夠很好地滿足設計目標和用戶應用需求。

參考文獻：

[1] 李攀，田澤，蔡葉芳，等.FC-AE-ASM協議優化設計[J].計算機工程與科學，2017，39（2）：280-284.

[2] 張健，林錫龍，謝江波.CPS1432交換芯片的串行RapidIO互連技術[J].單片機與嵌入式系統應用，2014，14（12）：31-34.

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