武健 武坚 冯思桐

摘要：为满足机载系统对FC网络节点机总线低功耗的需求，该文设计并实现了基于SOC芯片的FC网络节点机，搭建了模块级和网络级的测试验证环境，测试验证结果表明该节点机符合FC相关协议，满足机载系统对FC数据通信的需求，表现出了良好的可靠性和适应性，具有较高的推广应用价值。

关键词：FC;SOC

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）09-0058-02

开放科学（資源服务）标识码（OSID）：

1引言

光纤通道（FC）被广泛应用于航电设备的互连、通讯等领域。随着FC网络在众多飞机中成为标配接口，对FC网络节点机功耗、体积、重量和国产化的要求也越来越高。传统的FC网络节点机以FPGA为核心，存在功耗及自主可控等问题。为此，本文基于FC协议处理SOC芯片，开展了FC网络节点机的软硬件设计，并组建了模块级和网络级的测试环境，实现了全国产化FC网络节点机小型化、低功耗、重量轻的设计要求，具有很高的应用推广价值。

2 FC网络节点机硬件设计

FC网络节点机主要由SOC芯片、PCIe主机接口、时钟电路、电源电路、复位电路及外围辅助电路实现。FC网络节点机系统框图如图1所示。

2.1 FC-AE-ASM协议处理芯片

本文使用的是一款支持FC-AE-ASM协议标准的SoC芯片[1]，提供双余度速率可配置串行FC链路;支持PCI Express1.1协议，实现与主机处理器高速通信功能;提供FC时钟同步功能，包括日历、网络时钟同步和板级时钟同步功能;提供片外FLASH和NVRAM存储器接口，是一款通用化和小型化的通信处理芯片。运行时功耗小于1W。

2.2 PCIe主机接口

PCIe主机接口支持4X模式，速率为2.5Gbps，支持INTA、MSI消息中断方式。支持硬件DMA读写操作的主动发起和控制功能。当FC接口收到数据时，通过DMA写请求把原先需要从用户逻辑读取的数据写入主机内存;用户逻辑可直接控制DMA引擎;当需要从FC接口发送数据时，向主机存储器发出DMA读请求，处理导致的读完成，前推读数据到用户逻辑;保证读数据排序。

2.3 电源电路

FC网络节点机应用于机载环境，整个节点机工作电源+5V通过与主机相连的高速连接器提供，使用DC/DC电源芯片部分将5V输入转换为数字3.3VD以及数字1.2VD，LDO电源将3.3VD转换为模拟1.2VA，数字3.3VD为模块内主要芯片的工作电压，包括FC协议处理芯片的I/O电压、存储电路、时钟电路、复位电路等，数字1.2VD、模拟1.2VA为FC协议处理芯片的数字内核电压及Serdes内核电压。模拟3.3VA为FC协议处理芯片Serdes接口电压。通过电源模块输出使能端控制各个电源电压的上电顺序，使得供电顺序满足FC协议处理芯片I/O先上电、内核后上电的要求。

2.4 时钟电路

FC网络节点机共使用3类时钟，其中FC协议处理芯片内部处理器使用的40MHz单端时钟由模块内部单端晶振产生，FC接口的工作时钟106.25MHz差分时钟由模块内部差分晶振产生，针对不同的电平接口，需要进行额外的电路设计。PCIe接口的100MHz差分时钟由主机通过高速连接器提供。

2.5 存储电路

FC网络节点机使用NOR Flash存储SOC芯片的固件以及FC网络节点机FC网络通信的配置表数据。

2.6 光电收发器电路

机载设备内部空间紧凑，为提高FC网络节点机的适应性，FC网络节点机对外提供2路FC电接口，在载板上使用具有健康管理功能的光电收发器进行光电装换以及通过I2C接口读取光电收发器内部电压、内部温度、接收/发送光功率等信息，监控光电收发器以及光路状态，提高FC网络节点机测试指标。

3 FC网络节点机驱动软件设计

FC网络节点机驱动软件运行于主机CPU，通过PCIe总线配置和读写事务实现对FC网络节点机硬件的控制和访问，为主机CPU上运行的应用软件以API接口形式提供服务，主要包括设备管理、通信管理、时间管理、网络管理、配置维护，中断处理等功能。各功能模块描述如下：

（1）设备管理模块实现对FC设备硬件初始化和控制，具体功能接口包括设备创建、设备初始化、设备工作状态查询、设备打开、设备关闭、设备复位等。

（2）通信管理模块为上层应用软件提供通信服务支持，允许应用软件发送和接收事件消息，同时也允许应用软件通过直接内存访问方式进行消息通信。

（3）时间管理模块为应用软件提供时间服务，涉及日历时间设置、系统RTC以及本地RTC的设置和获取，是应用软件基于FC网络同步时间进行任务系统协同调度的基础。

（4）网络管理模块实现全网络节点状态信息收集和维护，为应用软件提供节点入网控制，网络状态查询等能力。

（5）配置维护模块作为内部功能单元，用于支持FC网络节点配置文件的在线维护。

（6）中断处理模块用于中断例程的注册和回调，将网络节点机硬件上报的事件通过回调方式上报应用软件。

4 测试验证

为了测试基于SOC芯片的FC网络节点机的功能和性能，搭建了模块级测试环境和网络级测试环境，模块级测试环境完成FC网络节点机的协议一致性测试及产品级功能性能测试[2]，网络级测试环境完成网络集成验证[3]及与产品互联互通测试。

4.1 模块级测试

FC网络节点机模块级测试环境如图2所示。

（1）FC网络节点机测试机箱与CPU机箱通过PCIe线缆连接，构成FC网络节点机测试工装。

（2）FC网络节点机测试工装串口线连接至Nport上，并通过以太网与测试控制台的主机相连接。

（3）FC网络节点机测试测试工装网口线通过Hub连接至测试控制台的主机网口。

（4）FC网络节点机测试机箱的光纤线缆与JDSU测试设备端口互联，支持端口自环测试和端到端模式测试。

（5）JDSU测试设备可设置为Analyzer模式或者Load Tester模式，在Analyzer模式时，串入光纤收发回环中进行数据分析完成协议一致性测试，在Load Tester模式时充当N端口节点进行数据收发控制，完成功能性能测试。

4.2 网络级测试

FC网络节点机网络级测试环境如图3所示。

（1）将N个FC网络节点接至交换机对应的F端口。

（2）JDSU作为Analyzer可接入网络测试点（TP）中任一处进行数据分析，作为Load Tester可接至交换机F端口进行数据压力测试。

（3）N个FC网络节点通过网络交换机接至集线器Hub。

（4）JDSU测试设备、N个FC网络节点通过网线连至Hub。

（5）Hub通过网线连至测试控制台。

依靠模块级测试环境和网络测试环境，对基于SOC芯片的FC网络节点机进行测试，各个测试项均通过测试，测试结果见表1所示。

5结束语

本文基于SOC芯片，设计了一种FC网络节点机，并建立了模块级、网络级测试验证环境。测试验证结果表明，基于SOC芯片的FC网络节点机满足FC协议标准及系统应用需求，具有功耗低的特点，有较高的推广应用价值用。

参考文献：

[1] 李攀，田文娟，李娟，等.FC协议处理芯片设计与实现[J].电子技术应用，2016，42（9）：147-151.

[2] 邓发俊，武华，冯晓东.一种基于PCIe交换开关的多路FC节点机设计与实现[J].电子技术，2016，45（4）：60-62.

[3] 杜建华，胡靖宇，杨明伟，等.基于光纤通道的数据完整性设计与模拟测试[J].航空计算技术，2020，50（2）：76-78，81.

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