0 概述

　　在機載FC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)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(fēng)險，而在地面環(huán)境下進行仿真實驗具有可重復(fù),、可控制,、無破壞性和耗費小等優(yōu)點，從而構(gòu)建機載網(wǎng)絡(luò)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(gòu)成[2-4]，架構(gòu)圖如圖1所示,。

　　該方案采用單板的設(shè)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(fēng)扇,，導(dǎo)致在特殊環(huán)境中無法使用,。

　　(2)FPGA片內(nèi)資源有限，導(dǎo)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(shè)計與實現(xiàn),。

1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　FC-ASM仿真卡的主要功能是作為光纖通道網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(diào)試和管理，F(xiàn)C-ASM仿真卡也支持FC網(wǎng)絡(luò)擴展鏈路服務(wù)（ELS幀）的發(fā)送,，能夠?qū)LS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(gòu)如圖2所示。

　　FC-ASM仿真卡硬件設(shè)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(fù)位及外圍電路設(shè)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(nèi)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(shè)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(wǎng)絡(luò)管理功能,；提供片外Flash和SRAM存儲器接口以及JTAG等調(diào)試接口,，便于存儲擴展和調(diào)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(shè)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(zé)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(zhuǎn)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(shè)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(nèi)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(zhuǎn)換；核心器件FC-AE-ASM芯片的數(shù)字內(nèi)核電壓為VCC1.2 V和SerDes內(nèi)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(zhuǎn)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(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

　　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(fù)位

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

　　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(diào)試和維護操作。

2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

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

　　傳輸軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的內(nèi)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(yīng)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(qū)動軟件是FC-ASM仿真卡接口軟件的外部接口。向航電應(yīng)用提供一組標準的API接口(包括設(shè)備管理接口,、通信管理接口,、時鐘同步管理接口、網(wǎng)絡(luò)管理接口),，實現(xiàn)對FC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備的運行控制,。其中，設(shè)備管理接口實現(xiàn)對FC-ASM設(shè)備的打開,、關(guān)閉,，設(shè)備軟復(fù)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(shè)置、時鐘同步使能,、禁止,，任務(wù)系統(tǒng)RTC時間設(shè)置、獲取,，任務(wù)系統(tǒng)同步監(jiān)控門限值設(shè)置,，網(wǎng)絡(luò)日歷信息設(shè)置,、獲取,；網(wǎng)絡(luò)管理接口實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)初始化控制,網(wǎng)絡(luò)上下線管理,，網(wǎng)絡(luò)上/下網(wǎng)控制，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)健康監(jiān)控,，網(wǎng)絡(luò)配置數(shù)據(jù)加載及固化,。

　　上層應(yīng)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境,，通過計算機仿真建立拓撲結(jié)構(gòu)，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(jié)果,，為網(wǎng)絡(luò)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,。

3 技術(shù)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。

　　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(dǎo)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。

　　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(chǎn)品的自主保障能力,。

4 總結(jié)

　　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(shè)計與實現(xiàn)。該設(shè)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(yīng)用于地面仿真設(shè)備和實驗室中，為多個機載網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及維護,。

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