基于光纖通道的IEEE1394光信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        航空電子系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，正在經(jīng)歷從模擬化向數(shù)字化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，逐步跨入第4代航空電子系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)就是在第3代基礎(chǔ)上，以高速大容量的信息交換為基礎(chǔ)，從綜合化向高度綜合化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)資源共享與數(shù)據(jù)融合，其任務(wù)劃分、模塊分配和作業(yè)調(diào)度，都依賴于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，這些性能包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸帶寬、可靠性及數(shù)據(jù)延遲性能等。因此，未來先進(jìn)航空電子系統(tǒng)中各站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流將更為復(fù)雜，包括射頻、視頻等大流量數(shù)據(jù)，有的節(jié)點(diǎn)速率需求將超過1Gb/s，而現(xiàn)有的低速數(shù)據(jù)總線很難滿足如此高速的數(shù)據(jù)傳輸要求。

　　美國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)于1988年開始制定的光纖通道(Fiber Channel，F(xiàn)C)是一種高速串行總線協(xié)議，不僅具有高帶寬、高可靠性、低延時(shí)、傳輸距離遠(yuǎn)、拓?fù)潇`活的優(yōu)點(diǎn)，而且支持多種上層傳輸協(xié)議。光纖通道的這一優(yōu)點(diǎn)使得在同一物理接口上運(yùn)行多種上層通道標(biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議成為可能。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的ML-STD-1553到光纖通道協(xié)議的映射，以及ML-STD-1553遠(yuǎn)程終端器件與光纖通道互聯(lián)方案的系統(tǒng)綜合，為未來航空電子系統(tǒng)中不同總線的互連提供了一條新的途徑，使得系統(tǒng)在保留傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥f(xié)議的同時(shí)，獲得光纖通道所提供的高帶寬服務(wù)。

　　基于此設(shè)計(jì)思想，本文提出了一種IEEE1394到光纖通道傳輸協(xié)議的映射方案，在此工作基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列(FPGA)，對(duì)所提出的協(xié)議映射方案進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FC的IEEE1394光信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

　　1 IEEE1394到光纖通道的協(xié)議映射

　　首先簡要介紹本文提出的一種IEEE1394到光纖通道傳輸協(xié)議的映射方案，更詳細(xì)的說明可參考文獻(xiàn)。所提協(xié)議映射方案的基本思想是：在IEEE1394到FC數(shù)據(jù)包的映射過程中，保留FC原來的幀格式形式，將FC幀頭部分中源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址分別映射為IEEE1394源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的地址，并將IEEE1394數(shù)據(jù)包中除了數(shù)據(jù)域外的其他信息映射到FC的64Byte可選幀頭上，數(shù)據(jù)域的信息映射到FC的有效數(shù)據(jù)區(qū)。此外，由于FC一個(gè)數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)區(qū)長度只有2048Byte，而在通道傳輸速率大于200Mb/s，IEEE1394的等時(shí)數(shù)據(jù)包或傳輸速率大于400Mb/s時(shí)，異步數(shù)據(jù)包的最大有效長度將超出FC有效數(shù)據(jù)區(qū)的大小。因此，當(dāng)IEEE1394數(shù)據(jù)包的長度超出了FC有效數(shù)據(jù)區(qū)長度時(shí)，應(yīng)該將該數(shù)據(jù)包映射成一個(gè)連續(xù)的FC數(shù)據(jù)幀序列。下面以IEEE1394異步數(shù)據(jù)包到FC數(shù)據(jù)幀的映射為例，說明兩種協(xié)議的映射過程。

　　IEEE1394異步數(shù)據(jù)包及FC數(shù)據(jù)幀格式如圖1，圖2所示。圖3為IEEE1394數(shù)據(jù)幀到光纖通道幀格式映射關(guān)系。 

　　對(duì)映射過程的說明：

　　1)目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)地址由IEEE1394的16位擴(kuò)充到24位，使網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變得比單一的IEEE1394網(wǎng)絡(luò)要大。

　　2)T-TYPE用來指明交換消息的傳輸特性，包括交換的傳輸方向和終端-終端(NT-NT)交換的性能定義。在NT-NT類型交換中，將為接收NT提供發(fā)送NT的地址，或者為發(fā)送NT提供接收NT的地址。

　　3)T—CTL用于實(shí)現(xiàn)FC網(wǎng)絡(luò)和IEEE1394網(wǎng)絡(luò)之間的消息傳輸，實(shí)現(xiàn)兩者之間的橋路連接，完成FC網(wǎng)絡(luò)終端或網(wǎng)絡(luò)控制器與IEEE1394節(jié)點(diǎn)之間的消息傳輸。

　　4)將IEEE1394中的幀頭CRC校驗(yàn)和數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)分開。在IEEE1394數(shù)據(jù)傳輸中，首先進(jìn)行的是幀頭CRC校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則立即拋棄該幀。所以這里設(shè)想將IEEE1394數(shù)據(jù)CRC放在光纖通道數(shù)據(jù)幀的可選幀頭，將幀頭CRC放在光纖通道數(shù)據(jù)幀CRC校驗(yàn)中，這樣可以先檢測(cè)幀頭CRC，節(jié)省系統(tǒng)開銷。

        2 IEEE1394光信號(hào)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)的構(gòu)架

　　為在光纖通道傳輸IEEE1394信號(hào)，構(gòu)建兩種總線互連的硬件平臺(tái)，所設(shè)計(jì)的傳輸系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)幀格式的轉(zhuǎn)換，還要實(shí)現(xiàn)FC-0、FC-1、FC-2協(xié)議層中的部分功能。本文所設(shè)計(jì)的基于FC的IEEE1394光信號(hào)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括IEEE1394信號(hào)源，基于FPGA的1394-FC協(xié)議轉(zhuǎn)換器，必要的外圍接口器件以及光纖收發(fā)模塊，系統(tǒng)傳輸速率1.0625Gb/s。其中，光纖通道FC-0層的功能由光電轉(zhuǎn)換模塊和串并與并串轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，而IEEE1394到FC數(shù)據(jù)幀映射及FC-1、FC-2層功能主要基于FPGA進(jìn)行硬件編程來實(shí)現(xiàn)。 

　　2.2 基于FPGA的功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，FPGA主要實(shí)現(xiàn)IEEE1394到FC的數(shù)據(jù)幀映射以及FC-1、FC-2層功能。基于FPGA的功能模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。 

　　1)FC-1層功能單元包括8b/10b編碼/解碼模塊和D/K類型指示模塊。

　　2)FC-2層功能單元包括數(shù)據(jù)接收模塊，發(fā)送模塊及系統(tǒng)配置模塊。

　　3)IEEE1394到FC的數(shù)據(jù)幀映射模塊(協(xié)議轉(zhuǎn)換)是FPGA設(shè)計(jì)的核心部分。該部分能夠完成對(duì)信號(hào)源發(fā)出的IEEE1394數(shù)據(jù)幀到FC協(xié)議的數(shù)據(jù)幀的映射工作，即將IEEE1394數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為FC幀格式。同時(shí)能從接收到的FC數(shù)據(jù)幀還原出IEEE1394數(shù)據(jù)幀。

　　4)FPGA片內(nèi)的發(fā)送(TX)部分和接收(RX)部分均加入了數(shù)字時(shí)鐘管理(DCM)和分頻器模塊，DCM可以使時(shí)鐘信號(hào)通過時(shí)鐘樹達(dá)到各個(gè)片內(nèi)寄存器，以減小片內(nèi)時(shí)鐘信號(hào)的抖動(dòng)和延時(shí)，提高系統(tǒng)運(yùn)行速率。

　　此外，為了方便在沒有外接IEEE1394信號(hào)源的情況下對(duì)FPGA內(nèi)部的功能模塊進(jìn)行調(diào)試，在FPGA的TX前通過采用線性反饋移位寄存器IP核構(gòu)建了一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器，可以用來模擬IEEE1394數(shù)據(jù)源，并通過1個(gè)二選一選擇器實(shí)現(xiàn)外部輸入信號(hào)與內(nèi)部偽隨機(jī)序列的選擇功能。

　　FPGA內(nèi)部的工作過程說明如下：IEEE1394數(shù)據(jù)從16:32解復(fù)用器輸出之后，進(jìn)入IEEE1394數(shù)據(jù)拆分模塊，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于FC數(shù)據(jù)幀的SOF、DATA、CRC、EOF的數(shù)據(jù)段，生成符合FC幀格式的數(shù)據(jù)。在這之后，32:8復(fù)用模塊將32bit并行輸入的數(shù)據(jù)復(fù)用成8bit并行輸出的數(shù)據(jù)。隨后進(jìn)入8b/10b編碼模塊，完成8b/10b的編碼工作并以10bit位寬，106.25MHz的速率送入VSC7145串并/并串芯片，最后以1.0625Gbs的速率輸出到SFP光收發(fā)模塊，由光收發(fā)模塊將電信號(hào)調(diào)制成光信號(hào)輸出。

　　在RX接收部分，由光收發(fā)模塊還原成的電信號(hào)通過VSC7145串并/并串芯片后以10bit的并行數(shù)據(jù)形式輸入到FPGA中，由8b/10b解碼器解碼，輸出8bit并行數(shù)據(jù)(在解碼過程中，解碼器可以通過判斷碼流的極性來判別是否在傳輸過程中出現(xiàn)誤碼)。8b/10b解碼輸出后的數(shù)據(jù)通過1個(gè)8:32解復(fù)用模塊解復(fù)用成32bit的并行數(shù)據(jù)，并行支路速率為26.5625MHz，隨后32位并行數(shù)據(jù)通過FC幀檢測(cè)提取模塊，生成標(biāo)識(shí)信號(hào)隨路輸出。在CRC校驗(yàn)/判決模塊中，數(shù)據(jù)通過CRC位運(yùn)算反映是否出現(xiàn)誤碼，并給出指示。在這之后，F(xiàn)C數(shù)據(jù)幀重組為IEEE1394數(shù)據(jù)幀，最后經(jīng)由32:16復(fù)用模塊將32bit并行IEEE1394幀數(shù)據(jù)重新復(fù)用成16bit并行數(shù)據(jù)，與53.12MHz的隨路信號(hào)一同送出FPGA芯片。

　　3 FPGA功能驗(yàn)證

　　本設(shè)計(jì)已在Xilinx Spartan3系列的Xc3s200中實(shí)現(xiàn)，并在Xilinx ISE 7.1仿真環(huán)境下進(jìn)行了功能和時(shí)序仿真驗(yàn)證。采用偽隨機(jī)序列發(fā)生器生成的偽隨機(jī)代碼模擬IEEE1394數(shù)據(jù)源，設(shè)定每1000Byte為一個(gè)數(shù)據(jù)包包長。

        3.1 功能仿真結(jié)果

　　1)在發(fā)送端，IEEE1394數(shù)據(jù)包被拆封，重組成FC數(shù)據(jù)幀，并由8b/10b編碼器編碼后輸出，如圖6中仿真波形tx_dtout，和TX_encode_ dtout所示。 

　　2)在接收端，F(xiàn)C幀結(jié)構(gòu)被正確檢測(cè)并提取，在CRC校驗(yàn)正確后重組成IEEE1394數(shù)據(jù)幀格式輸出，如圖7中仿真波形tx_dtout，crc32及rx_dtout所示。 

　　經(jīng)仿真測(cè)試，FPGA實(shí)現(xiàn)IEEE1394到FC數(shù)據(jù)幀格式的映射功能，各模塊均正常工作，數(shù)據(jù)通信良好，無丟包現(xiàn)象。

　　3.2 時(shí)序仿真結(jié)果

　　該設(shè)計(jì)在Xc3s200上實(shí)現(xiàn)后，FPGA所使用的資源如表1所示，整個(gè)系統(tǒng)資源占用率較低，最高運(yùn)行速率能達(dá)到135.245MHz，滿足106.25MHz的片上最高運(yùn)行速率要求，設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。 

　　4 結(jié)束語

　　光纖通道具有支持多種上層傳輸協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，本文在已有工作的基礎(chǔ)上，利用FPAG，對(duì)所提出的IEEE1394到光纖通道的協(xié)議映射方案進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，通過FPGA功能仿真及時(shí)序仿真驗(yàn)證了所提方案的可行性。利用此FPGA協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，本文還設(shè)計(jì)了基于FC的IEEE1394光信號(hào)傳輸系統(tǒng)，給出了具體的硬件設(shè)計(jì)方案。目前，此系統(tǒng)的主要調(diào)試工作已完成，后續(xù)的工作將通過系統(tǒng)傳輸實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析研究。