文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.039
中文引用格式: 黎小玉,田文娟,,任杰,,等. 基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(9):152-154,,158.
英文引用格式: Li Xiaoyu,Tian Wenjuan,,Ren Jie,,et al. The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC[J].Application of Electronic Technique,2016,42(9):152-154,,158.
0 概述
在機(jī)載FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研制開發(fā)中,由于在機(jī)載環(huán)境下直接進(jìn)行試驗(yàn)具有很大的局限性和風(fēng)險(xiǎn),,而在地面環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù),、可控制、無破壞性和耗費(fèi)小等優(yōu)點(diǎn),,從而構(gòu)建機(jī)載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行大量的前期地面實(shí)驗(yàn)來測試樣機(jī)的功能和性能成為必要[1],。
傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡主要由FPGA、輔助電路構(gòu)成[2-4],,架構(gòu)圖如圖1所示,。
該方案采用單板的設(shè)計(jì)方式,由FC-ASM協(xié)議處理模塊和外圍電路實(shí)現(xiàn)串行FC鏈路數(shù)據(jù)通信,,通過PCIe主機(jī)接口[5]實(shí)現(xiàn)與主機(jī)處理器通信,。這種實(shí)現(xiàn)方案存在以下缺點(diǎn):
(1)由于使用FPGA實(shí)現(xiàn),體積大,、功耗大且使用時需要增加散熱片及風(fēng)扇,,導(dǎo)致在特殊環(huán)境中無法使用。
(2)FPGA片內(nèi)資源有限,,導(dǎo)致FC-ASM仿真卡模式單一,,靈活性差。
(3)高性能核心器件不易采購,、價格昂貴,,自主保障困難,。
基于以上原因,本文提出了一種基于自研FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),。
1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
FC-ASM仿真卡的主要功能是作為光纖通道網(wǎng)絡(luò)上的仿真節(jié)點(diǎn),,用于仿真飛機(jī)飛行過程中的各種數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖通道網(wǎng)絡(luò)中,或者作為節(jié)點(diǎn)機(jī)輸出光纖通道數(shù)據(jù)幀,。同時為了便于調(diào)試和管理,,F(xiàn)C-ASM仿真卡也支持FC網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展鏈路服務(wù)(ELS幀)的發(fā)送,能夠?qū)LS幀通過FC-ASM仿真卡的FC端口發(fā)送到FC鏈路,。按照以上仿真卡實(shí)現(xiàn)的功能描述,,F(xiàn)C-ASM仿真卡的功能架構(gòu)如圖2所示。
FC-ASM仿真卡硬件設(shè)計(jì)的核心是FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片,、PCIe主機(jī)接口,、電源、時鐘,、復(fù)位及外圍電路設(shè)計(jì),。
1.1 FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片
FC-ASM仿真卡的核心部件是自研的FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片,該芯片內(nèi)嵌PowerPC處理器,,能夠提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理及控制能力,通過工作在較高時鐘頻率的PLB總線和外圍設(shè)備通信,,主要完成FC速率配置,、ELS幀的接收、發(fā)送以及FC MAC的初始化配置,;提供雙余度1.062 5 Gb/s和2.125 Gb/s速率可配置串行FC鏈路,;對外提供PCIe/RapidIO主機(jī)接口,與主機(jī)處理器配合可完成FC時鐘同步功能,、FC網(wǎng)絡(luò)管理功能,;提供片外Flash和SRAM存儲器接口以及JTAG等調(diào)試接口,便于存儲擴(kuò)展和調(diào)試,。采用自研芯片以降低整個實(shí)現(xiàn)方案的難度,,優(yōu)化仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1.2 PCIe主機(jī)接口
FC-ASM仿真卡采用PCIe主機(jī)接口,、金手指形式實(shí)現(xiàn)[6],,支持4線模式,提供標(biāo)準(zhǔn)的PCIe INTA中斷方式,,支持中斷和查詢2種工作模式[7],。FC-ASM仿真卡作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)時,PCIe主機(jī)接口主要負(fù)責(zé)將主機(jī)配置的仿真數(shù)據(jù)通過DMA方式傳遞給FC-ASM仿真卡硬件,;作為接收節(jié)點(diǎn)時,,將鏈路上的數(shù)據(jù)通過DMA的方式傳輸?shù)街鳈C(jī),供主機(jī)進(jìn)行處理。
1.3 FC-ASM仿真卡電源
FC-ASM仿真卡工作于PC環(huán)境,,其中整板電源由PC通過PCIe接口提供+12 V電源,。由于整板電流小于1 A,其12 V轉(zhuǎn)5 V選用ISL8201電源芯片,,輸出電流最大10 A,,滿足整板需求;數(shù)字3.3 V為板上主要芯片及IO電壓,,設(shè)計(jì)成由最大輸出5 A的TPS75501線性電源提供,;模擬3.3 V為FC-AE-ASM芯片內(nèi)部鎖相環(huán)等模擬模塊使用,由數(shù)字3.3通過1 ?滋H電感轉(zhuǎn)換,;核心器件FC-AE-ASM芯片的數(shù)字內(nèi)核電壓為VCC1.2 V和SerDes內(nèi)核電壓AVCC1.2 V,,均采用輸出電流最大3 A的線性電源TPS74401單獨(dú)提供,通過3.3 V轉(zhuǎn)換為1.2 V,,滿足FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片上電要求(IO先上電,,Core后上電)。
FC-ASM仿真卡電源網(wǎng)絡(luò)如圖3所示,。
1.4 FC-ASM仿真卡時鐘
FC-ASM仿真卡外部用一個單獨(dú)的40 MHz的時鐘作為CPU系統(tǒng)處理輸入時鐘,,另一個單獨(dú)的5 MHz時鐘作為FC時鐘同步時鐘,F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議處理器采用單獨(dú)的106.25 MHz差分輸入時鐘,,PCIe時鐘由主機(jī)提供,。
1.5 FC-ASM仿真卡復(fù)位
FC-ASM仿真卡復(fù)位信號包括PCIe主機(jī)復(fù)位、手動復(fù)位,、上電復(fù)位,、JTAG復(fù)位。PCIe主機(jī)復(fù)位是通過PCIe接口產(chǎn)生復(fù)位,;手動復(fù)位是外接復(fù)位開關(guān)進(jìn)行硬復(fù)位,;上電復(fù)位是在上電后復(fù)位芯片輸出仍保持200 ms的低電平,產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位,;JTAG復(fù)位是通過RISCWatch仿真器復(fù)位處理器進(jìn)行的系統(tǒng)復(fù)位,。具體原理如圖4所示。
1.6 FC通信速率配置
在基于自研芯片的FC-ASM仿真卡中,,根據(jù)用戶實(shí)際需求,,由硬件和軟件相配合實(shí)現(xiàn)雙余度1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s速率串行FC鏈路。軟件通過配置FC鏈路控制寄存器控制FC鏈路速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s,;硬件通過FC_RATE信號控制FC SerDes的1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率,,高電平選擇2.125 Gb/s,低電平選擇1.062 5 Gb/s,。這一點(diǎn)也是傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡無法實(shí)現(xiàn)的,。
1.7 其他外圍電路
除了以上主要功能模塊之外,,F(xiàn)C-ASM仿真卡還提供2路Flash:一路用于固化嵌入式處理器的軟件,作為嵌入式處理器的啟動Flash,;另一路用于固化FC通信CAM表,,作為系統(tǒng)通信時的藍(lán)圖配置表存儲Flash。同時FC-ASM仿真卡還對外提供一路RS232接口,,便于FC-ASM仿真卡的調(diào)試和維護(hù)操作,。
2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
FC-ASM仿真卡軟件分為傳輸軟件、驅(qū)動軟件和上層應(yīng)用仿真軟件,,傳輸軟件固化在如圖5所示的Bank0 Flash中,,驅(qū)動軟件隨上層應(yīng)用仿真軟件一起駐留在主機(jī)上。當(dāng)FC-ASM仿真卡加電時,,板卡內(nèi)部Flash中固化的傳輸層軟件實(shí)現(xiàn)傳輸層功能,。上層應(yīng)用軟件調(diào)用驅(qū)動軟件,完成FC總線的整個通信,、管理等功能,。
傳輸軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的內(nèi)部接口。根據(jù)主機(jī)的命令完成諸如系統(tǒng)初始化,、加載配置表,、系統(tǒng)自測試等一系列動作;響應(yīng)主機(jī)以中斷形式發(fā)送命令控制FC-ASM協(xié)議處理引擎工作,;傳輸層的另一重要功能是將FC-ASM仿真卡發(fā)生的某些特定事件(例如看門狗超時,、系統(tǒng)故障、FC-ASM仿真卡狀態(tài))作為中斷上報(bào)給主機(jī),,并根據(jù)主機(jī)的反饋信息對中斷進(jìn)行處理。
驅(qū)動軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的外部接口,。向航電應(yīng)用提供一組標(biāo)準(zhǔn)的API接口(包括設(shè)備管理接口,、通信管理接口、時鐘同步管理接口,、網(wǎng)絡(luò)管理接口),,實(shí)現(xiàn)對FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行控制。其中,,設(shè)備管理接口實(shí)現(xiàn)對FC-ASM設(shè)備的打開,、關(guān)閉,設(shè)備軟復(fù)位,,狀態(tài)獲?。煌ㄐ殴芾斫涌趯?shí)現(xiàn)通信表的加載,、卸載,,F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議非數(shù)據(jù)塊消息的封裝,,通信的啟動和停止控制,ASM消息的發(fā)送,、接收控制,;時鐘同步管理接口實(shí)現(xiàn)時鐘同步模式設(shè)置、時鐘同步使能,、禁止,,任務(wù)系統(tǒng)RTC時間設(shè)置、獲取,,任務(wù)系統(tǒng)同步監(jiān)控門限值設(shè)置,,網(wǎng)絡(luò)日歷信息設(shè)置、獲??;網(wǎng)絡(luò)管理接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化控制,網(wǎng)絡(luò)上下線管理,網(wǎng)絡(luò)上/下網(wǎng)控制,,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)健康監(jiān)控,,網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)加載及固化。
上層應(yīng)用仿真配合實(shí)現(xiàn)FC-ASM仿真卡的FC數(shù)據(jù)仿真功能,,其仿真軟件具有可視化的圖形界面,,可依據(jù)真實(shí)FC網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,通過計(jì)算機(jī)仿真建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),,生成配置文件和消息數(shù)據(jù),,并可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),模擬真實(shí)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)流通信,,從而直觀地給出仿真結(jié)果,,為網(wǎng)絡(luò)通信提供參考依據(jù)。根據(jù)用戶需求將仿真數(shù)據(jù)的配置,,仿真流量監(jiān)控,、仿真狀態(tài)監(jiān)控等功能采用軟件實(shí)現(xiàn)。圖6,、圖7為仿真監(jiān)控發(fā)送界面和仿真監(jiān)控接收界面,。
3 技術(shù)優(yōu)勢
以傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡與新型的基于自研芯片的FC-ASM仿真卡為例進(jìn)行分析。替代部分如圖8所示,。
3.1 實(shí)驗(yàn)對比分析
在環(huán)境實(shí)驗(yàn)中,,可能同時使用2塊卡,傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡體積較大,,導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的PCIe插槽間距不滿足要求,,而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡由于集成度高、體積小等優(yōu)勢而不存在此問題,。
在進(jìn)行烤機(jī)實(shí)驗(yàn)時,,傳統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)的FC-ASM仿真卡在不添加額外的散熱裝置情況下,,出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡以其可靠性高,、功耗低等優(yōu)勢不存在此問題,。
3.2 指標(biāo)對比分析
兩種實(shí)現(xiàn)方案主要指標(biāo)對比情況見表1。
由表1可以看出,,與FPGA實(shí)現(xiàn)方案相比,,基于自研芯片的FC-ASM仿真卡功耗減小到60%,體積減小到50%,,重量減輕到60%,,且FC鏈路速率可配置,使用靈活,,顯著提高了功能,、性能、可靠性及FC核心產(chǎn)品的自主保障能力,。
4 總結(jié)
本文通過對傳統(tǒng)的基于FPGA的FC-ASM仿真卡實(shí)現(xiàn)方案的分析,,提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)有效解決了傳統(tǒng)仿真卡存在的眾多問題,,并具有自主保障能力?,F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于地面仿真設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室中,為多個機(jī)載網(wǎng)絡(luò)地面仿真系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的仿真數(shù)據(jù),,有效支持FC網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護(hù),。
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