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基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現(xiàn)
2016年電子技術應用第9期
黎小玉1，2，田文娟3，任 杰3，劉 娟1，2
1.中航工業(yè)西安航空計算技術研究所，陜西 西安710068； 2.集成電路與微系統(tǒng)設計航空科技重點實驗室，陜西 西安710068；3.西安翔騰微電子科技有限公司，陜西 西安710068
摘要： 隨著航空電子技術的發(fā)展，不斷提高產品的可靠性，減小系統(tǒng)的重量、體積、功耗等，已成為目前設計的一種趨勢。但傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡都是以FPGA方式實現(xiàn)，其板面積大、功耗極高、可靠性低、通用性差，已不能滿足系統(tǒng)小型化高可靠性的要求。提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡實現(xiàn)方案。該方案設計靈活簡單，集成了FC-AE-ASM協(xié)議通信、設備管理、時統(tǒng)管理、網絡管理等功能，同時以其功耗低、成本小和重量輕等優(yōu)勢，現(xiàn)被廣泛應用于地面仿真設備和實驗室環(huán)境中。
關鍵詞： FC-AE-ASM SOC 仿真卡
中圖分類號： V243.1
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.039
中文引用格式： 黎小玉，田文娟，任杰，等. 基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現(xiàn)[J].電子技術應用，2016，42(9)：152-154，158.
英文引用格式： Li Xiaoyu，Tian Wenjuan，Ren Jie，et al. The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC[J].Application of Electronic Technique，2016，42(9)：152-154，158.
The design and realization of FC-ASM simulation card based on the research of undependent SoC
Li Xiaoyu1，2，Tian Wenjuan3，Ren Jie3，Liu Juan1，2
1.AVIC Computing Technique Research Institute，Xi′an 710068，China； 2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Integrated Circuit and Micro-System Design，Xi′an 710068，China； 3.Xi′an Xiangteng Microelectronics Technology CO.，LTD，Xi′an 710068，China
Abstract： With the development of the aviation electronic technology, and improving the reliability of product, reducing the system′s weight, volume, power consumption and so on, has become a trend of the current design. But the traditional FC-ASM based on the emulation way of FPGA which has big plate area, high power consumption, low reliability and poor universality cannot satisfy the requirement of miniaturization high reliability. This paper proposes an implementation scheme of FC-ASM simulation card based on the independent research and development of the SoC. The design is simple and flexible, integrates FC-AE-ASM protocol communications, equipment management, system management, and other function. At the same time, because of its low power consumption, low cost and the advantages of the light weight, it is now widely used in ground simulation equipment and laboratory environment.
Key words : FC-AE-ASM；SoC；simulation card

0 概述

　　在機載FC網絡產品研制開發(fā)中，由于在機載環(huán)境下直接進行試驗具有很大的局限性和風險，而在地面環(huán)境下進行仿真實驗具有可重復、可控制、無破壞性和耗費小等優(yōu)點，從而構建機載網絡地面仿真系統(tǒng)進行大量的前期地面實驗來測試樣機的功能和性能成為必要[1]。

　　傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡主要由FPGA、輔助電路構成[2-4]，架構圖如圖1所示。

圖像 001.png

　　該方案采用單板的設計方式，由FC-ASM協(xié)議處理模塊和外圍電路實現(xiàn)串行FC鏈路數(shù)據(jù)通信，通過PCIe主機接口[5]實現(xiàn)與主機處理器通信。這種實現(xiàn)方案存在以下缺點：

　　(1)由于使用FPGA實現(xiàn)，體積大、功耗大且使用時需要增加散熱片及風扇，導致在特殊環(huán)境中無法使用。

　　(2)FPGA片內資源有限，導致FC-ASM仿真卡模式單一，靈活性差。

　　(3)高性能核心器件不易采購、價格昂貴，自主保障困難。

　　基于以上原因，本文提出了一種基于自研FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現(xiàn)。

1 硬件設計與實現(xiàn)

　　FC-ASM仿真卡的主要功能是作為光纖通道網絡上的仿真節(jié)點，用于仿真飛機飛行過程中的各種數(shù)據(jù)發(fā)送至光纖通道網絡中，或者作為節(jié)點機輸出光纖通道數(shù)據(jù)幀。同時為了便于調試和管理，F(xiàn)C-ASM仿真卡也支持FC網絡擴展鏈路服務（ELS幀）的發(fā)送，能夠將ELS幀通過FC-ASM仿真卡的FC端口發(fā)送到FC鏈路。按照以上仿真卡實現(xiàn)的功能描述，F(xiàn)C-ASM仿真卡的功能架構如圖2所示。

圖像 002.png


　　FC-ASM仿真卡硬件設計的核心是FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片、PCIe主機接口、電源、時鐘、復位及外圍電路設計。

　　1.1 FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片

　　FC-ASM仿真卡的核心部件是自研的FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片，該芯片內嵌PowerPC處理器，能夠提供強大的數(shù)據(jù)處理及控制能力，通過工作在較高時鐘頻率的PLB總線和外圍設備通信，主要完成FC速率配置、ELS幀的接收、發(fā)送以及FC MAC的初始化配置；提供雙余度1.062 5 Gb/s和2.125 Gb/s速率可配置串行FC鏈路；對外提供PCIe/RapidIO主機接口，與主機處理器配合可完成FC時鐘同步功能、FC網絡管理功能；提供片外Flash和SRAM存儲器接口以及JTAG等調試接口，便于存儲擴展和調試。采用自研芯片以降低整個實現(xiàn)方案的難度，優(yōu)化仿真系統(tǒng)的設計。

　　1.2 PCIe主機接口

　　FC-ASM仿真卡采用PCIe主機接口、金手指形式實現(xiàn)[6]，支持4線模式，提供標準的PCIe INTA中斷方式，支持中斷和查詢2種工作模式[7]。FC-ASM仿真卡作為發(fā)送節(jié)點時，PCIe主機接口主要負責將主機配置的仿真數(shù)據(jù)通過DMA方式傳遞給FC-ASM仿真卡硬件；作為接收節(jié)點時，將鏈路上的數(shù)據(jù)通過DMA的方式傳輸?shù)街鳈C，供主機進行處理。

　　1.3 FC-ASM仿真卡電源

　　FC-ASM仿真卡工作于PC環(huán)境，其中整板電源由PC通過PCIe接口提供+12 V電源。由于整板電流小于1 A，其12 V轉5 V選用ISL8201電源芯片，輸出電流最大10 A，滿足整板需求；數(shù)字3.3 V為板上主要芯片及IO電壓，設計成由最大輸出5 A的TPS75501線性電源提供；模擬3.3 V為FC-AE-ASM芯片內部鎖相環(huán)等模擬模塊使用，由數(shù)字3.3通過1 ?滋H電感轉換；核心器件FC-AE-ASM芯片的數(shù)字內核電壓為VCC1.2 V和SerDes內核電壓AVCC1.2 V，均采用輸出電流最大3 A的線性電源TPS74401單獨提供，通過3.3 V轉換為1.2 V，滿足FC-AE-ASM協(xié)議處理芯片上電要求(IO先上電，Core后上電)。

　　FC-ASM仿真卡電源網絡如圖3所示。

圖像 003.png


　　1.4 FC-ASM仿真卡時鐘

　　FC-ASM仿真卡外部用一個單獨的40 MHz的時鐘作為CPU系統(tǒng)處理輸入時鐘，另一個單獨的5 MHz時鐘作為FC時鐘同步時鐘，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議處理器采用單獨的106.25 MHz差分輸入時鐘，PCIe時鐘由主機提供。

　　1.5 FC-ASM仿真卡復位

　　FC-ASM仿真卡復位信號包括PCIe主機復位、手動復位、上電復位、JTAG復位。PCIe主機復位是通過PCIe接口產生復位；手動復位是外接復位開關進行硬復位；上電復位是在上電后復位芯片輸出仍保持200 ms的低電平，產生系統(tǒng)復位；JTAG復位是通過RISCWatch仿真器復位處理器進行的系統(tǒng)復位。具體原理如圖4所示。

圖像 004.png


　　1.6 FC通信速率配置

　　在基于自研芯片的FC-ASM仿真卡中，根據(jù)用戶實際需求，由硬件和軟件相配合實現(xiàn)雙余度1.062 5 Gb/s或2.125 Gb/s速率串行FC鏈路。軟件通過配置FC鏈路控制寄存器控制FC鏈路速率為1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s；硬件通過FC_RATE信號控制FC SerDes的1.062 5 Gb/s/2.125 Gb/s速率，高電平選擇2.125 Gb/s，低電平選擇1.062 5 Gb/s。這一點也是傳統(tǒng)FC-ASM仿真卡無法實現(xiàn)的。

　　1.7 其他外圍電路

　　除了以上主要功能模塊之外，F(xiàn)C-ASM仿真卡還提供2路Flash：一路用于固化嵌入式處理器的軟件，作為嵌入式處理器的啟動Flash；另一路用于固化FC通信CAM表，作為系統(tǒng)通信時的藍圖配置表存儲Flash。同時FC-ASM仿真卡還對外提供一路RS232接口，便于FC-ASM仿真卡的調試和維護操作。

2 軟件設計與實現(xiàn)

　　FC-ASM仿真卡軟件分為傳輸軟件、驅動軟件和上層應用仿真軟件，傳輸軟件固化在如圖5所示的Bank0 Flash中，驅動軟件隨上層應用仿真軟件一起駐留在主機上。當FC-ASM仿真卡加電時，板卡內部Flash中固化的傳輸層軟件實現(xiàn)傳輸層功能。上層應用軟件調用驅動軟件，完成FC總線的整個通信、管理等功能。

圖像 005.png

　　傳輸軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的內部接口。根據(jù)主機的命令完成諸如系統(tǒng)初始化、加載配置表、系統(tǒng)自測試等一系列動作；響應主機以中斷形式發(fā)送命令控制FC-ASM協(xié)議處理引擎工作；傳輸層的另一重要功能是將FC-ASM仿真卡發(fā)生的某些特定事件（例如看門狗超時、系統(tǒng)故障、FC-ASM仿真卡狀態(tài)）作為中斷上報給主機，并根據(jù)主機的反饋信息對中斷進行處理。

　　驅動軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的外部接口。向航電應用提供一組標準的API接口(包括設備管理接口、通信管理接口、時鐘同步管理接口、網絡管理接口)，實現(xiàn)對FC網絡系統(tǒng)設備的運行控制。其中，設備管理接口實現(xiàn)對FC-ASM設備的打開、關閉，設備軟復位，狀態(tài)獲??；通信管理接口實現(xiàn)通信表的加載、卸載，F(xiàn)C-AE-ASM協(xié)議非數(shù)據(jù)塊消息的封裝，通信的啟動和停止控制，ASM消息的發(fā)送、接收控制；時鐘同步管理接口實現(xiàn)時鐘同步模式設置、時鐘同步使能、禁止，任務系統(tǒng)RTC時間設置、獲取，任務系統(tǒng)同步監(jiān)控門限值設置，網絡日歷信息設置、獲??；網絡管理接口實現(xiàn)網絡初始化控制,網絡上下線管理，網絡上/下網控制，網絡系統(tǒng)健康監(jiān)控，網絡配置數(shù)據(jù)加載及固化。

　　上層應用仿真配合實現(xiàn)FC-ASM仿真卡的FC數(shù)據(jù)仿真功能，其仿真軟件具有可視化的圖形界面，可依據(jù)真實FC網絡環(huán)境，通過計算機仿真建立拓撲結構，生成配置文件和消息數(shù)據(jù)，并可進行數(shù)據(jù)收發(fā)，模擬真實系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)流通信，從而直觀地給出仿真結果，為網絡通信提供參考依據(jù)。根據(jù)用戶需求將仿真數(shù)據(jù)的配置，仿真流量監(jiān)控、仿真狀態(tài)監(jiān)控等功能采用軟件實現(xiàn)。圖6、圖7為仿真監(jiān)控發(fā)送界面和仿真監(jiān)控接收界面。

圖像 006.png


圖像 007.png

3 技術優(yōu)勢

　　以傳統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)的FC-ASM仿真卡與新型的基于自研芯片的FC-ASM仿真卡為例進行分析。替代部分如圖8所示。

圖像 008.png

　　3.1 實驗對比分析

　　在環(huán)境實驗中，可能同時使用2塊卡，傳統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)的FC-ASM仿真卡體積較大，導致標準的PCIe插槽間距不滿足要求，而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡由于集成度高、體積小等優(yōu)勢而不存在此問題。

　　在進行烤機實驗時，傳統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)的FC-ASM仿真卡在不添加額外的散熱裝置情況下，出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。而基于自研芯片的FC-ASM仿真卡以其可靠性高、功耗低等優(yōu)勢不存在此問題。

　　3.2 指標對比分析

　　兩種實現(xiàn)方案主要指標對比情況見表1。

圖像 009.png

　　由表1可以看出，與FPGA實現(xiàn)方案相比，基于自研芯片的FC-ASM仿真卡功耗減小到60%，體積減小到50%，重量減輕到60%，且FC鏈路速率可配置，使用靈活，顯著提高了功能、性能、可靠性及FC核心產品的自主保障能力。

4 總結

　　本文通過對傳統(tǒng)的基于FPGA的FC-ASM仿真卡實現(xiàn)方案的分析，提出了一種基于自研芯片的FC-ASM仿真卡設計與實現(xiàn)。該設計有效解決了傳統(tǒng)仿真卡存在的眾多問題，并具有自主保障能力?，F(xiàn)已廣泛應用于地面仿真設備和實驗室中，為多個機載網絡地面仿真系統(tǒng)提供真實可靠的仿真數(shù)據(jù)，有效支持FC網絡的構建及維護。

　　參考文獻

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　　[7] 霍衛(wèi)濤，田澤，李攀，等.基于FPGA的光纖通道網絡監(jiān)控卡設計與實現(xiàn)[J]．計算機技術與發(fā)展，2015，24(5)：199-203．

　　


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