SoC技术在FC芯片设计中的应用

引言

光纤通道（FC）是一个高性能的双向点对点串行数据通道。光纤通道的标准是由T11标准委员会（美国国家信息技术标准化委员会下属的技术委员会）制定的，它是一个为适应日益增长的高性能信息传输要求而设计的计算机通讯协议。FC集中了IO通道和网络的优点，它既支持IO通道所要求的带宽与可靠性，又支持网络技术的灵活性与连接能力，使得在同一物理接口上运行当今流行的通道标准和网络协议成为可能。目前，FC已被作为未来航空电子统一网络的一种主要联网标准。本文讨论了一种采用片上系统（SOC）技术来设计FC协议芯片的方案，分析了SOC设计方法的特点及其与传统的嵌入式系统设计方法的不同点，为今后在航电系统的设计中推广使用SOC技术奠定了基础。

FC工作原理简介

光纤通道所支持的物理介质包括光纤、双绞线、同轴电缆等，本文统称其为光纤。物理上，FC可被看成是称为N端口的多个通信点的连接，这些N端口可以通过交换网进行连接，且通过集线器构成仲裁环路，也可以通过点对点的链路进行连接。如图1所示，FC协议可以分成一系列的功能层次，各功能层次简述如下。

图1 FC的层次结构图

FC-0层

FC-0定义了接口和介质的物理特性，规定了收发器和各种物理媒介的光电参数。按照实现器件的不同，FC可具有不同的数据传输率：133Mbit/s，266Mbit/s，530Mbit/s，1.0625Gbit/s等。

FC-1层

FC-1定义了编解码和传输协议，它采用直流平衡8b/10b码。一个8位字节编码为10位进行传输，然后在接收端再进行解码。一部分具有特殊特性的没有使用的编码点被用来组成特殊字符，以形成信令和帧描述的有序集。

FC-2层

FC-2层是信号传输协议层。它规定了数据传输的规则，提供了数据块从一个端口传输到下一个端口的传输机制，定义了可由FC-4使用的功能和设备，FC-4可以只采用其中的一个子集。这一层描述了如下概念：

（1）节点和N端口及相应的标识符；

（2）通讯模型；

（3）拓扑结构；

（4）服务类；

（5）通用交换网模型；

（6）FC-2的构造块及体系结构；

（7）帧格式；

（8）序列；

（9）交换。

FC-3层

FC-3层为一些高级特性提供了所需要的通用服务，例如：

（1）分类：并行使用若干个N端口来增加带宽，以便通过多重连接传输一个单一信息。

（2）查询组：使数量多于一个的端口能响应相同的别名地址。这一服务通过减少接触到忙N端口的机会来提高效率。

（3）多播：将一个传输发送到多个目标端口，包括发送到一个交换网上的所有N端口（广播），或只发送到交换网上某些N端口。

FC-4层

FC- 4层是FC协议的最高层，它规定了上层协议到FC协议的映射。当前映射的协议有：小型计算机系统接口（SCSI）、智能外设接口3（IPI-3）、高性能并行接口（HIPPI）、INTERNET协议（IP）、IEEE802.2、单字节命令码集映射（SBCCS）。另外，FC-AE还描述了一个基于 1553B的上层协议映射。

FC-PH的物理模型

FC通路在物理上至少由2个节点组成。每个节点可以由多个N端口组成，每个N端口提供FC-0、FC-1、FC-2的功能。FC-3是可选的，它为多个N端口和FC-4提供通用服务。FC节点的组成如图2所示。

图2 FC节点的组成

每个端口由一对光纤组成，一个用于输入，一个用于输出。这一对按相反方向传输的光纤和收发器组成FC链路，完成数据传输。

FC-2层的帧格式

FC-2层的帧格式如图3所示。

帧起始定界符SOF是一个有序集，4个8b字符，根据不同帧的类型有不同的码字；帧头，24个8b字符，详见表1；数据字段，0–2112个8b字符；CRC，4个8b字符，它对帧头部分和数据字段部分进行校验，其编码多项式是X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1；帧结束定界符EOF是一个有序集，4个8b字符，根据不同帧的类型有不同的码字。

FC协议芯片的设计概述

功能概述

FC芯片的功能是实现图1中的FC-PH，即FC-2、FC-1、FC-0层的协议；每个FC芯片支持2个N端口，可构成如图2所示的FC节点；支持的数据传输率为1.0625Gbits/s。

基于SoC的设计考虑

基于SoC的芯片设计和嵌入式模块板的设计有相似之处，但不能把SoC设计简单地理解为对嵌入式模块板的小型化，它们的主要区别如下：

（1）嵌入式模块板的设计是使用现有的CPU芯片和外设芯片来实现的，而SoC设计是由CPU内核与各种功能模块内核实现的。

（2）由上文可知，嵌入式模块板的设计是在已经设定的规则框架中进行的，这些规则就是各种芯片的使用手册，而SoC设计可以根据设计需求，自行设计规则，再设计各种功能模块内核，以满足功能要求并使得资源利用最优化。

（3）嵌入式模块板的设计，由于受到CPU芯片引脚的限制，外设芯片大多挂在CPU的一条外部总线上，难免会有总线争用，而SoC设计原则上芯片内部可以并行工作的总线个数没有限制，应充分利用这个特性，合理确定体系结构，避免总线争用。

（4）嵌入式模块板的设计，其软硬件的设计都有固定的模式，而SOC设计先要根据设计需求，确定软硬件的交会点，确定软硬件协同的规则，才能达到资源利用最优化的目的。

首先，要确定软硬件的交会点。软硬件的交会点放在FC-2层的“序列”上。因为“序列”负责整块数据的收或发，当数据块的长度超过图3所示的数据长度时，要分为若干个相关的数据帧来传输。数据帧的相关性表现在如表1所示的帧头中，只有序列计数字段SEQ_CNT发生改变。因此，软件将负责提供帧头的部分信息和数据，由硬件负责数据成帧和以后的工作。其次，在设计芯片的体系结构时，要充分使用芯片内部的并行工作的总线。最后，为便于本芯片的测试，对上层接口 ULP，先考虑使用PCI总线，以便实现基于PCI接口的FC网卡。根据今后实际使用需求，ULP将按需设计。

芯片的结构

根据3.2节的讨论，FC协议芯片的结构框图如图4所示。FC协议芯片对上层的接口（ULP）采用PCI接口，由芯片内置的PCI-TARGET内核实现。

图4 FC协议芯片的结构框图

图 4中虚线方框部分构成了FC的N端口，整个芯片中有2个N端口。每个FC-N端口由“FC收发通道”和“FC帧收发控制器”2层构成。“FC收发通道”与光电接口模块配合可实现FC-0层、FC-1层和FC-2层中数据帧收发的功能。该层为上层接口提供用于数据帧收发的片内FIFO通道。“FC帧收发控制器”实现FC-2层的数据帧打包、开包和检错。另外，通过芯片内嵌的软件模块实现FC-2层的序列和交换协议；同时提供ULP接口。下文对FC通道、帧收发控制器、CPU内核及ULP 接口作分别讨论。