基于嵌入式和FPGA的光纤通道接口控制芯片的设计

作为通道技术和网络技术结合的产物，光纤通道(fibre channel)是一种具有高实时性、高可靠性、高带宽，高性价比的开放式网络。任何需要接入到光纤通道网络的设备都需要相应的网络接口卡(NAC)，而网络接口卡的核心是接口控制芯片。目前市场上商用的光纤通道接口控制芯片寥寥可数且价格昂贵，并且核心技术都掌握在国外公司；而军用的光纤通道接口控制芯片更由于众所周知的原因在市场上根本就买不到。因此，根据光纤通道标准设计出拥有自主知识产权的光纤通道网络接口控制芯片，对于我国的经济和军事发展具有极其重要的意义。

由于光纤通道标准是一簇十分庞大而复杂的协议，不同的特性适用于不同的应用环境；又因为光纤通道标准目前仍处于发展阶段，标准的内容还在做不停的变化，因此选用FPGA作为当前接口控制芯片的载体是一个非常合适的选择。一方面对于不同的应用环境，可以对相应的功能模块进行适当的裁减，既能满足应用需要又能降低成本；另一方面对于协议的变化，基于FPGA的实现也很容易就能对老版本设计进行更新。

1 协议分析

和OSI参考模型类似，光纤通道协议簇也是以分层的方式来组织各个协议的。其分层模型如图1所示。

作为数据传输协议，光纤通道支持许多上层协议，包括VIA、SCSI、IPv4、IPv6、SBCCS、ASM等。在为这些协议传输数据之前，需要先将待发送的数据映射成规定的格式，FC-4层实现这一映射，对于每一个支持的上层协议，都有一个映射协议与之相对应。

FC-3层是一个通用服务层，为映射层协议提供一系列通用服务。比较重要的几个服务包括：交换注册、端口注册和注销服务。

FC-2层是光纤通道协议中最重要的一层，定义了将数据块进行端到端传输的规则和机制，包括不同类型的服务、帧格式定义、序列的分片和重装、交换管理、地址分配和多播管理等。

FC-1层定义了串行编码和解码规范，规定使用8B／10B编码。

FC-0层是光纤通道协议的物理层规范，定义了发射机、接收机、传输介质以及它们之间的接口规范。传输速率也在这里定义。

2 设计方案

通过对协议的分析得出，映射层协议和具体应用环境密切相关，应该由用户自己实现。接口控制芯片在逻辑上可以分成三部分，即通用服务模块、端到端IU传输和缓冲到缓冲帧传输；在实现方式上又可以分为软件部分和硬件部分。接口控制芯片系统框图如图2所示。

图2左边的PowerPC和存储器控制器通过PLB总线互联在一起，构建了Linux操作系统和接口控制芯片的软件部分的运行平台。

PowerPC架构中还包含了通用的OPB总线，用来进行外部设备的互联。OPB总线通过一个PLB-OPB桥连接到PLB总线，如图2右边所示。连接到OPB总线的外部设备只有一个，也就是光纤通道传输核。

用户接口定义了接口控制芯片的用户接口。根据应用环境的不同，这个模块有不同的实现方法，如PCI或USB。

当用户有数据需要发送时，通过接口控制芯片的用户接口将数据按标准格式存人芯片内部的数据存储器，并通过设置相应的寄存器请求接口控制芯片的数据传输服务。然后，软件代码将数据接管过来，先为这次数据(IU)传输分配相应的软件资源(交换状态块、序列状态块等)用以记录数据的发送状态。等完成相应的处理后，PowerPC通过光纤通道传输核提供的接口通知传输核对数据进行处理，包括分片、成帧、CRC计算和8B／10B编码等任务。最后，传输核通过输出引脚输出高速串行数据去调制光发射机并发送到光纤链路。

当从输入链路上接收到数据时，传输核首先对数据进行处理，包括位同步、串并转换、8B／10B解码、字同步、有序集检测、CRC校验和帧提取。当有效帧接收到并存到接收缓冲区后，硬件模块设置相应的寄存器通知Power-PC，然后PowerPC对接收到的帧进行处理，包括分配相应的软件资源、帧重装。当属于一个序列的所有帧都正确接收完后，PowerPC通过用户接口模块通知用户模块，用户模块接收到数据后自行进行处理。

3 硬件设计

接口控制芯片的硬件部分也就是图2中的光纤通道传输核，负责将数据帧按标准规定的格式从发送缓冲区传输到链路另一端的接收缓冲区。为了正确有效地完成这个任务，接口控制芯片的硬件部分实现以下一些功能：缓冲到缓冲的流量控制、链路级别的差错检测和恢复、字同步、有序集检测、帧提取、8B／10B编解码和串并／并串转换等功能。接口控制芯片的硬件部分功能框图如图3所示。