基于光纖通道的IEEE1394光信號傳輸系統(tǒng)設計

        航空電子系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展，正在經歷從模擬化向數(shù)字化系統(tǒng)的轉變，逐步跨入第4代航空電子系統(tǒng)，其主要特點就是在第3代基礎上，以高速大容量的信息交換為基礎，從綜合化向高度綜合化發(fā)展，實現(xiàn)資源共享與數(shù)據(jù)融合，其任務劃分、模塊分配和作業(yè)調度，都依賴于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能，這些性能包括網(wǎng)絡拓撲結構、傳輸帶寬、可靠性及數(shù)據(jù)延遲性能等。因此，未來先進航空電子系統(tǒng)中各站點之間的數(shù)據(jù)流將更為復雜，包括射頻、視頻等大流量數(shù)據(jù)，有的節(jié)點速率需求將超過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。

　　美國國家標準委員會于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、傳輸距離遠、拓撲靈活的優(yōu)點，而且支持多種上層傳輸協(xié)議。光纖通道的這一優(yōu)點使得在同一物理接口上運行多種上層通道標準和網(wǎng)絡協(xié)議成為可能。目前已經實現(xiàn)的ML-STD-1553到光纖通道協(xié)議的映射，以及ML-STD-1553遠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)絡拓撲和協(xié)議的同時，獲得光纖通道所提供的高帶寬服務。

　　基于此設計思想，本文提出了一種IEEE1394到光纖通道傳輸協(xié)議的映射方案，在此工作基礎上，利用現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)，對所提出的協(xié)議映射方案進行了硬件設計與實現(xiàn)，設計了一個基于FC的IEEE1394光信號傳輸系統(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，更詳細的說明可參考文獻。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)點和目的節(jié)點的地址分別映射為IEEE1394源節(jié)點和目的節(jié)點的地址，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的等時數(shù)據(jù)包或傳輸速率大于400Mb/s時，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IEEE1394數(shù)據(jù)包的長度超出了FC有效數(shù)據(jù)區(qū)長度時，應該將該數(shù)據(jù)包映射成一個連續(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系。 

　　對映射過程的說明：

　　1)目的節(jié)點和源節(jié)點地址由IEEE1394的16位擴充到24位，使網(wǎng)絡規(guī)模變得比單一的IEEE1394網(wǎng)絡要大。

　　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用于實現(xiàn)FC網(wǎng)絡和IEEE1394網(wǎng)絡之間的消息傳輸，實現(xiàn)兩者之間的橋路連接，完成FC網(wǎng)絡終端或網(wǎng)絡控制器與IEEE1394節(jié)點之間的消息傳輸。

　　4)將IEEE1394中的幀頭CRC校驗和數(shù)據(jù)CRC校驗分開。在IEEE1394數(shù)據(jù)傳輸中，首先進行的是幀頭CRC校驗，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則立即拋棄該幀。所以這里設想將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校驗中，這樣可以先檢測幀頭CRC，節(jié)省系統(tǒng)開銷。

        2 IEEE1394光信號傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)的構架

　　為在光纖通道傳輸IEEE1394信號，構建兩種總線互連的硬件平臺，所設計的傳輸系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)幀格式的轉換，還要實現(xiàn)FC-0、FC-1、FC-2協(xié)議層中的部分功能。本文所設計的基于FC的IEEE1394光信號傳輸系統(tǒng)結構如圖4所示，包括IEEE1394信號源，基于FPGA的1394-FC協(xié)議轉換器，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層的功能由光電轉換模塊和串并與并串轉換芯片實現(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進行硬件編程來實現(xiàn)。 

　　2.2 基于FPGA的功能模塊設計與實現(xiàn)

　　在所設計的系統(tǒng)中，FPGA主要實現(xiàn)IEEE1394到FC的數(shù)據(jù)幀映射以及FC-1、FC-2層功能?；?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=FPGA&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">FPGA的功能模塊結構如圖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)議轉換)是FPGA設計的核心部分。該部分能夠完成對信號源發(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)幀轉換為FC幀格式。同時能從接收到的FC數(shù)據(jù)幀還原出IEEE1394數(shù)據(jù)幀。

　　4)FPGA片內的發(fā)送(TX)部分和接收(RX)部分均加入了數(shù)字時鐘管理(DCM)和分頻器模塊，DCM可以使時鐘信號通過時鐘樹達到各個片內寄存器，以減小片內時鐘信號的抖動和延時，提高系統(tǒng)運行速率。

　　此外，為了方便在沒有外接IEEE1394信號源的情況下對FPGA內部的功能模塊進行調試，在FPGA的TX前通過采用線性反饋移位寄存器IP核構建了一個偽隨機序列發(fā)生器，可以用來模擬IEEE1394數(shù)據(jù)源，并通過1個二選一選擇器實現(xiàn)外部輸入信號與內部偽隨機序列的選擇功能。

　　FPGA內部的工作過程說明如下：IEEE1394數(shù)據(jù)從16:32解復用器輸出之后，進入IEEE1394數(shù)據(jù)拆分模塊，產生對應于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復用模塊將32bit并行輸入的數(shù)據(jù)復用成8bit并行輸出的數(shù)據(jù)。隨后進入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)模塊將電信號調制成光信號輸出。

　　在RX接收部分，由光收發(fā)模塊還原成的電信號通過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8:32解復用模塊解復用成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幀檢測提取模塊，生成標識信號隨路輸出。在CRC校驗/判決模塊中，數(shù)據(jù)通過CRC位運算反映是否出現(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，最后經由32:16復用模塊將32bit并行IEEE1394幀數(shù)據(jù)重新復用成16bit并行數(shù)據(jù)，與53.12MHz的隨路信號一同送出FPGA芯片。

　　3 FPGA功能驗證

　　本設計已在Xilinx Spartan3系列的Xc3s200中實現(xiàn)，并在Xilinx ISE 7.1仿真環(huán)境下進行了功能和時序仿真驗證。采用偽隨機序列發(fā)生器生成的偽隨機代碼模擬IEEE1394數(shù)據(jù)源，設定每1000Byte為一個數(shù)據(jù)包包長。

        3.1 功能仿真結果

　　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幀結構被正確檢測并提取，在CRC校驗正確后重組成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。 

　　經仿真測試，FPGA實現(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 時序仿真結果

　　該設計在Xc3s200上實現(xiàn)后，FPGA所使用的資源如表1所示，整個系統(tǒng)資源占用率較低，最高運行速率能達到135.245MHz，滿足106.25MHz的片上最高運行速率要求，設計達到了預期結果。 

　　4 結束語

　　光纖通道具有支持多種上層傳輸協(xié)議的優(yōu)點，本文在已有工作的基礎上，利用FPAG，對所提出的IEEE1394到光纖通道的協(xié)議映射方案進行了硬件設計，通過FPGA功能仿真及時序仿真驗證了所提方案的可行性。利用此FPGA協(xié)議轉換模塊，本文還設計了基于FC的IEEE1394光信號傳輸系統(tǒng)，給出了具體的硬件設計方案。目前，此系統(tǒng)的主要調試工作已完成，后續(xù)的工作將通過系統(tǒng)傳輸實驗，對系統(tǒng)性能進行分析研究。