1光纖通道FibreChannel是一種具有高速數(shù)據(jù)傳輸性能的

1、摘要光纖通道（Fibre Channel）是一種具有高速數(shù)據(jù)傳輸性能的接口標準，是新一代網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)總線，支持多種媒介和連接器件其傳輸速率高、延遲低、兼容性好、可靠性高、能力強等優(yōu)點，同時綜合了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)撵`活性，廣泛適應于航空航天領(lǐng)域、領(lǐng)域等。隨著光纖通道技術(shù)發(fā)展，以及航空電子系統(tǒng)中各種語音、等大數(shù)據(jù)量業(yè)務傳輸?shù)男枨蟮?，對光纖通道數(shù)據(jù)接口鏈路的要求也越來越嚴格。為了適應其高速傳輸特性，本文研究了光纖通道協(xié)議特點，分析了接口鏈路的技術(shù)要求，同時針對其接口鏈路的分析提出了基于FPGA 的方法對其功能模塊進行設(shè)計，部分采用 Xilinx 公司Virtex-5 系列FPGA XC5VL

2、X100T 實現(xiàn)，為光纖通道網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的數(shù)據(jù)通信提供了接口。通過觀察仿真結(jié)果驗證設(shè)計方案的，最后結(jié)果驗證了設(shè)計方案符合光纖通道的性能要求?！尽抗饫w通道 接口卡 接收模塊 發(fā)送模塊ABSTRACTFibre Channel (Fibre Channel) is anerface standard for high-speed datatransmiswith the performance of a new generation of network and technology bus ,connecting devito support a variety of media and its

3、high transmisrate, lowlatency , good compatibility, high reliability, anti-combination of flexibility and network transmiserference ability, etc. , while aspeed of data transmis,widely adapted to the aerospace , storage areas and so on. With demand Fibre Channeltechnology development , as well as a

4、variety of avionics systems for voice,andother large volume of data transmislink requirements are more stringent.servi, dataerfafor Fibre ChannelIn order to meet its high-speed transmischaracteristics of the Fibre Channel protocol ,characteristics , this pr studies theyzed the technical requirements

5、 oftheerface link , and proed to design FPGA -based approach to its functionalmodules, the core part of the company forVirtex-5 series FPGA XC5VLX100T implemenysis using Xilinx itserface linkion of Fibre Channel network anderface. By observing the simulationdommunications equipment to provide theres

6、ults validate the design, the final results validate the design meets the performancerequirements of Fibre Channel .Keywords: Fibre Channelmoduleerface CardReceiver ModuleSend目錄摘 要1ABSTRACT2目 錄i第一章 緒論1研究背景1研究意義與目的2研究內(nèi)容3第二章 原理介紹5光纖通道發(fā)展5光纖通道的基本原理52.3 光纖通道接術(shù)82.4 小結(jié)8第三章 接口設(shè)計10結(jié)構(gòu)分析10接口協(xié)議模塊設(shè)計12接收模塊15發(fā)送模塊1

7、63.3 小結(jié)17第四章 設(shè)計驗證18鏈路初始化18接收模塊18發(fā)送模塊184.4 小結(jié)18第五章 總結(jié)205.1 結(jié)論205.2 進一步工作20致 謝22參考文獻24第一章 緒論1.1 研究背景隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，高速化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笠踩找嬖鲩L。作為通道技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合的產(chǎn)物，即系統(tǒng)與 I/O 設(shè)備之間高性能數(shù)據(jù)傳輸接口標準，光纖通道（Fibre Channel）傳輸速率高、距離遠、延遲低、抗電磁干擾能力強，同時綜合了通道傳輸?shù)母咚傩院途W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)撵`活性而受到了廣泛的歡迎。它是一種模擬數(shù)據(jù)中心大型機環(huán)境的傳輸構(gòu)架，很大程度上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心環(huán)境中大量數(shù)據(jù)的高效傳輸，在民用與市場都具有廣

8、闊的應用范圍1。在航空電子技術(shù)領(lǐng)域，各類飛行器搭載起越來越多的電子設(shè)備與各類觀測儀器，面對的環(huán)境也日益復雜化多樣化，儀器與設(shè)備甚至地面控制中心的、信息共享和綜合處理的任務量也迅速增大2。航空電子系統(tǒng)進一步向通用化、規(guī)模化和開發(fā)化方向發(fā)展，對總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求越來越高，對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在可靠性、數(shù)據(jù)吞吐率、能力和實時性等方面的要求也日益增加。在第四代先進綜合式航空電子系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)已不僅僅是命令與狀態(tài)控制信息，還包含有大量的探測與信息處理，這就對傳輸速度與延遲有了很大的要求。因此，光纖通道通信網(wǎng)絡(luò)以其優(yōu)良的特性成為了新一代先進綜合式航空電子技術(shù)系統(tǒng)同一網(wǎng)絡(luò)互連的主流技術(shù)。航空電子環(huán)境下的光纖通道

9、協(xié)議 FC-AE 已在的轟炸機B1-B，U2 上使用，在 F-35 飛機研制中，光纖通道技術(shù)是其高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)。戰(zhàn)斗機 JSF 上復雜子系統(tǒng)間另外，光纖通道將作為在、英國下一代聯(lián)合高速互連的主網(wǎng)絡(luò)3。而國內(nèi)在這一方面起步晚，著更大的，對此研究需要投入的精力去彌補這一差距。在網(wǎng)絡(luò)方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，用戶對信息種類的要求越來越多，音頻等類型文件迅速增加，這就要求更高的傳輸速度與更大的容量，同時，對于網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性也帶了了新的。而光纖通道技術(shù)所提供的高速數(shù)據(jù)傳輸能力連接以及高速帶寬等使得它在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域流行起來。這寫性能適用于區(qū)域網(wǎng)、集群計算機和其它資料密集計算設(shè)施等領(lǐng)域，因此，基于光

10、纖通道的區(qū)域網(wǎng) SAN 能夠更好地完成設(shè)備與多種服務器的同時跨接，實現(xiàn)文件系統(tǒng)的并行操作，使用戶的應用系統(tǒng)變得更加靈活，結(jié)構(gòu)更加合理，性能更加優(yōu)越。其在 CAD 設(shè)計系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、寬帶多系統(tǒng)以及事務處理系統(tǒng)等諸多系統(tǒng)中表現(xiàn)卓越使得它廣受企業(yè)歡迎，在民用市場領(lǐng)域占有很大的。然而，任何一項技術(shù)都不是完美的。由于技術(shù)的發(fā)展，光纖通道仍然面對很多問題。在上，當數(shù)據(jù)量達到系統(tǒng)理論值的 50%之后，其性能下降非常快，這就帶來了很多嚴重，而針對這一缺點，又有新的技術(shù)發(fā)展起來，如iSCSI 以太網(wǎng)，由于它只需使用低廉的千兆以太網(wǎng)即可實現(xiàn)，不像光纖通道那樣昂貴，同時，其便捷的部署方式，可以幫助用戶快速的進

11、行高性能計算方案系統(tǒng)進行一個全新的設(shè)計與管理。這就給基于光纖通道的網(wǎng)絡(luò) SAN中的帶來了很大的壓力。同時，SAN 還著來自以太網(wǎng)光纖通道FCoE 的沖擊。由于以太網(wǎng)光纖通道合并了光纖通道架構(gòu)，并且簡化了整體的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施，同時確?？梢岳矛F(xiàn)有的光纖通道 SAN，F(xiàn)CoE 是最有可能幫助企業(yè)發(fā)生巨變的技術(shù)。然而，由于供應商已架構(gòu)好大型網(wǎng)絡(luò)區(qū)，同時，用戶對于當前的傳輸速度等也保持著肯定態(tài)度，這就使得在一定時間內(nèi)，光纖通道受到的沖擊是有限的?？傊?，不管是從軍事意義上來講，還是從民用發(fā)展前景來講，光纖通道都以其優(yōu)良的性能占據(jù)重要的一席之地。1.2 研究意義與目的光纖通道體系于 1988 年開始發(fā)展，基

12、于它的傳輸技術(shù)是能實現(xiàn)和滿足網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需要的最好的選擇。隨著通信傳輸技術(shù)和計算機科學的不斷發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務需求量的迅猛增加以及總線技術(shù)在航空領(lǐng)域的廣泛應用，光纖通道以其高帶寬、低延遲、低誤碼率和靈活的拓撲結(jié)構(gòu)等優(yōu)良特性而受到人們的歡迎。不可否認，在未來幾年甚至幾十年內(nèi)，光纖通道的優(yōu)良特性仍然是其它技術(shù)所無法取代的，在傳輸?shù)陌踩院涂煽啃苑矫妫饫w通道由于其所使用的材料難以具有很高的安全性，在通訊信息領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用，因此，仍然需要加大對光纖通道的研究與運用。目前，光纖通道在領(lǐng)域已被廣泛采用，在帶寬、數(shù)據(jù)延遲、傳輸和距離、可靠性、錯誤檢測、優(yōu)先級等方面均具有適合于航空電子系統(tǒng)的良好特性，而且也

13、提供了對航空電子環(huán)境的支持。以光纖通道來代替現(xiàn)在的航空電子主網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建新一代的的航空絡(luò)，已經(jīng)成為航空電子系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)先選擇。而在這之中，設(shè)備連接到光纖通道網(wǎng)絡(luò)很重要的一點是接口卡的性能。任何需要接入到光纖通道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備都需要相應的網(wǎng)絡(luò)接口卡，其是接口控制。然而國內(nèi)對光纖通道技術(shù)的研究起步晚，技術(shù)都掌握在外國公司手用光纖通道接口控制價格昂貴，光纖通道接口控制更是買不到，所以必須加大對光纖通道協(xié)議及其接口控制的研究，對通信、航空航天等事業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文主要研究的目的是通過探索光纖通道數(shù)據(jù)接口的重要特性以設(shè)計相應的模塊功能。在航空航天領(lǐng)域，由于光纖通道的低功耗而占有很大的，由于現(xiàn)代電子航空技

14、術(shù)應用在眾多電子設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸顯得尤為重要，而在這之中，接口卡的性能更是不可忽略。接口卡作為系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的接口，是航空絡(luò)的關(guān)鍵，因此接口卡的研究已經(jīng)成為一項緊迫而又重要的任務。性能優(yōu)良的接口卡能夠進一步降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿p耗，節(jié)省的資源。通過對光纖通道的分析，本文主要研究其接收發(fā)模塊以及串并轉(zhuǎn)換等的功能，通過對其硬件設(shè)計與仿真的結(jié)合，完成本課題的研究目的。1.3 研究內(nèi)容本文主要建立在對光纖通道協(xié)議的深入分析的基礎(chǔ)上展開的，通過對協(xié)議分析了解接術(shù)要求的基礎(chǔ)上，從高品質(zhì)、高可靠性、高帶寬、低價位設(shè)計思路出發(fā)，提出設(shè)計方案并分析驗證。全文共分為五章，各章節(jié)內(nèi)容如下：第一章,緒論。闡述課題的發(fā)展背景、狀

15、況，說明本課題的研究內(nèi)容、目的和意義等。第二章，研究了光纖通道的基本原理，從它的發(fā)展演變過程開始，到光纖通道協(xié)議的標準化與完善應用，都做了詳盡地闡明。這樣能夠幫助更好地理解光纖通道的意義與目的，從而明確研究的角度。緊接著，對于光纖通道協(xié)議的模型與基本構(gòu)架，這里都一一表述清楚，這些都是屬于基本原理與概念，是我們研究工作的出發(fā)點。接下來，對于光纖通道與設(shè)備互連接口即網(wǎng)絡(luò)接口卡做出了深入的研究，需要知道其作用與技術(shù)要求。第三章，研究接口方案的技術(shù)要求。接口方案的設(shè)計是這次的研究重點。通過對光纖通道協(xié)議的分析，得出接口卡的技術(shù)要求，分析接口卡的接口，提出設(shè)進行接口設(shè)計。FPGA計方案。需要根據(jù)光纖通道

16、的基本要求選擇合適的（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，是硬件設(shè)計開發(fā)之一。由于其設(shè)計周期短、功耗低以及易成品而受到廣泛歡迎。FPGA主要由 7 部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入塊式 RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌硬件模塊。本文采用 FPGA 開發(fā)光纖通道接口卡的方法，使用 VHDL 語言在 QuattusII 9.0 上進行仿真已驗證實驗結(jié)果，這將了時間與成本。本文主要從接口卡的結(jié)構(gòu)出發(fā)，具體描述設(shè)計的過程，首先描述其硬件支持，對設(shè)計方案的硬件內(nèi)容作以闡述，接著從上實現(xiàn)其功能模塊。第

17、四章，是本次設(shè)計的驗證部分。通過設(shè)計的具體目標得出驗證方案，然后通過模擬仿真的結(jié)果來觀測本次設(shè)計的成功與否。第五章，將是全文的總結(jié)。從最終設(shè)計的結(jié)果出發(fā)，總結(jié)這一次設(shè)計的經(jīng)驗與教訓，充分，在未來的學習應用過程中避免類似的錯誤。同時，也將總結(jié)光纖通道未來的發(fā)展與，分析其所的機遇與。對本文進一步進一步開發(fā)和完善，提出了自己的建議。第二章 原理介紹2.1 光纖通道發(fā)展隨著計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，高性能計算機已經(jīng)越來越依賴于數(shù)據(jù)通信，并且需要通過數(shù)據(jù)綜合和高速網(wǎng)絡(luò)以提高其性能，對于總線網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求也越來越高。1988 年，ANSI 成立了 X3T9.3工作組，即現(xiàn)在的 X3T11

18、工作組，研究用于節(jié)點、主機、超級計算機、臺式計算機、設(shè)備、顯示器和其他設(shè)備之間的高性能串行連接技術(shù)。該的通口，即光纖通道協(xié)議簇。2002研究定義了多種硬件系統(tǒng)之間大量年 ANSI 批準了 4Gbps 光纖通道規(guī)范作為“光纖通道物理接口”(FC-PI)。但是，直到 2006 年光纖通道發(fā)展的水平才可以完全進入 4Gbps 時代。4Gbps 光纖通道發(fā)展標準大大提高了區(qū)域網(wǎng)的性能，它將速度增加一倍的同時保持了與 1Gbps 和2Gbps 系統(tǒng)的兼容性。最近幾年，光纖通道發(fā)展進入到新的階段即 10Gbps，各大廠商爭先推出新的支持 10Gbps 的產(chǎn)品。2.2 光纖通道的基本原理光纖通道 FC 標準

19、是由世界的標準化機構(gòu)制定、實施和更新的一簇十分龐大而復雜的通信協(xié)議，即由 15 個ANSI 協(xié)議標準組成4，其中比較重要的有： FC-PH(物理和信號)、FC-SW（交換網(wǎng)絡(luò)）、FC-FS（傳輸和信號）、FC-AL(仲裁環(huán)路)以及各種上層協(xié)議標準接口。與開放式互聯(lián)系統(tǒng) OSI 類似，光纖通道可以分為5 層模型。它具有高帶寬、高傳輸速率、強實時性對距離不敏感、支持多種上層協(xié)議等特點，定義了多種硬件系統(tǒng)之間的大量的通口，不同的特性用于不同的應用環(huán)境，標準的分層結(jié)構(gòu)確保了光纖通道能夠按照市場的需求增長，基本構(gòu)架如圖 1 所示5多模光纖以及短距離使用的同軸電纜和雙絞線，傳輸距離，信號機制標準，也定義了

20、光纖和銅線接口以及電纜指標， 提供多種選擇的傳輸速率： 133Mb/s、266Mb/s、531Mb/s 和 1.0625Gb/s，更高版本里還支持 2.134Gb/s 和 4.268Gb/s 等更高傳輸速率。FC-1:定義編碼和的標準，使用 8B/10B 編碼，將 8 位字節(jié)擴展成 10 位傳送字節(jié)，這種編碼具有許多特點，它把成本變得低廉，可以在所要求的 10e-12bit誤碼率下工作電路盡可能簡化，保證了足夠的信號傳輸，最長經(jīng)過 5 個單元信號會有一個信號跳變，保證接收方時鐘的同步，它可以維持總的 DC 平衡，而且它允許從傳輸字符中直接分離出控制信息；還描述了管理光纖通道連接(鏈路控制協(xié)議)

21、所需要的一些傳送字，即有序集；為FC-2 層提供發(fā)送和接收傳輸字的功能。 FC-2: 定義了幀、流控制、和服務質(zhì)量等，光纖通道中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧强勺兊膸?，幀的最大長度是 2148 字節(jié)，傳輸 2048 字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)；調(diào)節(jié)流量接收方可以處理的速度來發(fā)送數(shù)據(jù)；利用 FC-1 層提供的發(fā)控制以保證發(fā)送送和接收傳輸字的基本功能來執(zhí)行更負責的功能，這些更能又能作為基本功能提供給更上層 FC-3 層。這一層是光纖通道中最復雜的一層涉及到光纖通道特有的結(jié)構(gòu)、過程和操作的大部分環(huán)節(jié)，同時還定義了六類服務。該層的基本組成單元包括：物理模型（節(jié)點、端口和拓撲）、帶寬和通信開銷、基本組成和層次結(jié)構(gòu)、一般交換網(wǎng)

22、絡(luò)模型、流量控制和端口服務類型、基本的和擴展的鏈路服務命令、仲裁環(huán)功能、數(shù)據(jù)的分段和重組機制、數(shù)據(jù)的檢測和恢復。FC-3: 公共服務層，主要定義了一些特殊的服務，例如帶寬頻率分片（Stripring）、搜索組（號（PC-PH）層以上的t Group）、和多點廣播（Multicast）。該層對物理和信協(xié)議提供了一套通用的公共通信服務，這些附加的服務可以包括多點傳送和廣播數(shù)據(jù)傳送機制，可以按照給定的地址、多路技術(shù)協(xié)議和PC-PH 響應對多余一個的N-Port（節(jié)點端口）組尋址。FC-4 ：光纖通道協(xié)議的最，即光纖通道協(xié)議層，定義了光纖通道和上層應用之間的接口，規(guī)定了上層協(xié)議到光纖通道的。它提供了在

23、光纖通道上使用現(xiàn)有協(xié)議而不需要修改的方法。上層應用比如：串行 SCSI 協(xié)議，HBA的驅(qū)動提供了 FC-4span text 的接口函數(shù)， FC-4 支持多協(xié)議，如： FCP-SCSI,FC-IP,FC-VI；把應用協(xié)議的信息單元射映成光纖通道的幀序列然后發(fā)送出去7。2.3 光纖通道接術(shù)光纖通道是通道技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合，它使用交換式網(wǎng)絡(luò)來解決設(shè)備互連和交換的復雜性問題。光纖通道提供邏輯上的點到點的串行通道，用在源設(shè)備的緩沖器和目的設(shè)備的緩沖器之間進行。它靠許多的通信節(jié)點之間的互連提供高性能的通信連接，每個節(jié)點上都有一個或者多個與光纖通道網(wǎng)絡(luò)互連，統(tǒng)稱為端口的設(shè)備。通過這種方式，光纖通道避免了

24、處理不同的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的需要，它僅將需要緩沖器的內(nèi)容從一個端口轉(zhuǎn)移到另一個端口，只提供交換控制和簡單的差錯檢驗。為適應其高達 2.0125Gbit/s 的傳輸速率，設(shè)備與 FC 網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬應達到 Gbit 的級別，而網(wǎng)絡(luò)接口的開發(fā)需要實現(xiàn)光纖通道的各項先進性能和各種連接拓撲8。要求，能夠完成光纖通道各層協(xié)議光纖通道網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計涉及到協(xié)議的研究和理解。光纖通道設(shè)計物理和信號接口(FC-PH)、航空電子環(huán)境（FC-AE）、交換式網(wǎng)絡(luò)通用要求（FC-FG）、幀和信號接口（FC-FS）、幀和信號接口物理接口（FC-PI）及交換式網(wǎng)絡(luò)光纖和交換式網(wǎng)絡(luò)控制要求（FC-SW）等多種協(xié)議。因此，通過對光

25、纖通道協(xié)議的分析，本文采用FPGA 開發(fā)光纖通道數(shù)據(jù)接口卡的方法。采用 FPGA 進行系統(tǒng)開發(fā)具有很大的靈活性，可以隨時更改設(shè)計，重構(gòu)系統(tǒng)；系統(tǒng)中各功能可以定制，周期短，成本低，故采用FPGA 作為當前控制的載體是非常合適的選擇9。通過對光纖通道協(xié)議的研究，接口的功能分為由硬件和兩部分協(xié)同完成，兩個部分的功能都將互為影響。由于FPGA 的硬件資源是有限的，過多冗余的軟件功能將不能充分利用硬件資源，從而影響速度的提高。因此，軟硬件接口信號主要包括以下幾個部分：硬件管理接口信號以對光纖通道 IP 核進行配置與管理，同時提供統(tǒng)計信息；數(shù)據(jù)接口信號用于光纖通道數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；信用值管理接口信號提供Bu

26、ffer to Buffer 的信用值管理；時鐘和重置信號用于時鐘的管理和控制。2.4 小結(jié)本章主要介紹了光纖通道的基本發(fā)展、基本原理、協(xié)議結(jié)構(gòu)，通過對光纖通道協(xié)議的深入分析，了解光纖通道的技術(shù)要求；這里還介紹了光纖通道接口的基本內(nèi)容，并分析了其技術(shù)特征要求，這是文章整個設(shè)計的基礎(chǔ)，也是設(shè)計的展開點。第三章 接口設(shè)計整個光纖通道采用FPGA 實現(xiàn)，開發(fā)硬件部分由它來實現(xiàn)。為 Altera 推出的Stratix GX 開發(fā)板，3.1 結(jié)構(gòu)分析接口設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)硬件的基礎(chǔ)設(shè)備，其開發(fā)需要實現(xiàn)光纖通信的各項先進性能和要求，能夠支持完成光纖通道各層協(xié)議各種連接拓撲。接口的設(shè)計可以認為是適配器10，能夠完

27、成數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、時鐘恢復、串行/并行轉(zhuǎn)換、8b/10b編/、流量控制等功能，即實現(xiàn) FC-0、FC-1 以及部分FC-2 層的功能。其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示11。能的理想選擇。Stratix GX 器件具有多個千兆位收發(fā)器功能塊，每個有四個全雙工通道。這些通道采樣時鐘數(shù)據(jù)恢復（CDR）技術(shù)，串行或解串行高達 3.1875Gbps的數(shù)據(jù)。每個通有實現(xiàn)不同等級數(shù)據(jù)恢復和傳輸、譯碼和編碼以及操作過程的電路。和可編程邏輯的無縫接口確保了可靠的數(shù)據(jù)傳輸，最大化數(shù)據(jù)吞吐量并簡化了時序分析?；谄浼蓚鬏斔俣雀哌_ 3.1875Gbps 的四通道吉比特高速收發(fā)模塊，并提供了接收和發(fā)送差分 I/O 緩沖功能單元，

28、能夠保證信號完整性的特性，故本文選用這一器件；圖 4要發(fā)送的電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并發(fā)送出去，光纖收發(fā)器的作用是，將同時，能將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到的接收端，實現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)換。本文采用的是 Agilent 公司的 HFBR-5720AL 光收發(fā)器，用于光纖通道的2.125/1.0625 GBd MMF SFP 收發(fā)器。（2）處理器負責網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理和固件程序的執(zhí)行，具體負責將接收到的幀序列裝到高速串行發(fā)送模塊的緩沖區(qū)，即圖上的RAM 部分；（3）Flash BIOS 用于協(xié)議處理器執(zhí)行的固件程序；（4）RAM 用作處理器的內(nèi)存，這里為所選用的FPGA的片內(nèi) RAM；（5）用于配置網(wǎng)絡(luò)

29、通信參數(shù)。3.2 接口協(xié)議模塊設(shè)計光纖通道接口邏輯結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。光纖通道接口主要將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后進行處理后再轉(zhuǎn)化為光信號發(fā)送出去。其按功能主要分為兩部分：數(shù)據(jù)收集端，接收來自數(shù)據(jù)源的高速數(shù)據(jù)流，完成信號的 8B/10B 轉(zhuǎn)換、CRC校驗、數(shù)據(jù)幀設(shè)計和電光轉(zhuǎn)換，形成光纖傳輸?shù)拇行盘?；接收端，接收光纖信號，通過主機的接口總線完成數(shù)據(jù)向主機的傳輸12。和 1 的位序列分布較均勻，這樣最長經(jīng)過 5 個信號單元會有一個信號跳變，能夠保證接收方時鐘同步，并且使得光纖通道硬件部分的實現(xiàn)比較簡單和廉價。圖 6 編原理框圖但是，現(xiàn)在大部分的計算機數(shù)據(jù)處理單元都是包含4 個字節(jié)的字，因此

30、在FC-1層還定義了傳輸字。光纖通道標準區(qū)分兩種類型的傳輸字，即數(shù)據(jù)和有序集：將控制字符用K 表示，數(shù)據(jù)字符用 D 表示，則數(shù)據(jù)傳輸字的第一個字節(jié)是數(shù)據(jù)字節(jié)，而有序集的第一個字節(jié)是特殊傳輸字符 K28.5。該字符在光纖通道中是唯一具有 5個相同數(shù)位的字符，這種特殊性使得它在傳輸?shù)奈涣髦腥菀妆唤邮辗阶R別。有序集傳輸字可以起以下幾種控制作用：(1) 數(shù)據(jù)幀分界符。數(shù)據(jù)幀有起始分界符和結(jié)束分界符，而起始分界符和結(jié)束分界符都是有序集傳輸字；(2) 原語信號。原語信號是由特殊的 K28.5 編碼開始的連續(xù)的 4B 的一組特殊信號，主明各端口的狀態(tài)變化和通知事件的發(fā)生。FC-1 層有兩種原語信號，即緩沖區(qū)

31、的流控制原語信號和空閑字原語信號。為了保證發(fā)送和接收端的同步，光纖通道往往在沒有信號傳輸時傳輸空閑字；(3) 原語連續(xù)信號。連續(xù) 3 個相同的有序集傳輸字用于鏈路控制。FC-2 層接收到 FC-1 層提供的傳輸字，將其分裝成幀，是光纖通道所規(guī)定的基本組成，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罨镜膯卧?，長度為 0-2048B；每一幀共計 2148 字節(jié),其中包括 4 字節(jié)的幀起始標志SOF（start of frame）、4 字節(jié)的幀結(jié)束標志EOF（end of frame）、4 字節(jié) CRC、24 字節(jié)的幀標題以及最多 2112 字節(jié)的信息數(shù)據(jù)，24B 的幀頭唯一的標識一個幀的開始和這個幀所需要的處理，幀頭中包

32、含有各種字段，用來表示幀的源點N 端口ID 以及幀所在的序列ID、序列發(fā)起方和應答方交換ID、路由、序列中的幀計數(shù)的字段和控制比特。詳見圖 7，然后，送入端口狀態(tài)機。后，進入原語檢測，通過原語檢測后，進入接收狀態(tài)機，對幀進行檢測，最終使得端口狀態(tài)機處于激活狀態(tài)；從端口狀態(tài)機輸出后，最終進入到接收模塊或者發(fā)送模塊，最后通過PCI 總線，整個接口卡的功能完成13。3.2.1 接收模塊接收模塊包括了接收控制模塊、CRC 模塊和臨時緩存模塊。它主要完成的功能是數(shù)據(jù)和鏈路控制幀、準備信號的接收同時進行 CRC 校驗，根據(jù)所接收到的幀的幀頭部分判斷不同類型數(shù)據(jù)幀和控制幀，然后存入緩存中，此時，幀的相關(guān)信息

33、即幀內(nèi)容也至相應的緩存中。接收模塊接收到的信號首先進入信號檢測模塊。本模塊負責檢測 SOF、EOF和 R_RDY 等原語信號并將結(jié)果送入幀接收控制模塊。幀接收控制模塊根據(jù)接收到的結(jié)果進行工作14。當檢測到幀開始 SOF 后，不能確定所接收到的是數(shù)據(jù)幀還是鏈路控制幀，因此需要至緩沖區(qū)，當下一狀態(tài)判斷出幀的類型后，開始接收隨后的數(shù)據(jù)，同時進行 CRC 檢驗。校驗通過后，需要把之前的緩存復位以清除剛存進去的 SOF。流程圖見圖八所示。在檢測到幀結(jié)束 EOF 后，對 EOF 進行編碼，提交給主機一個 4 位寬的EOF 編碼；如果在接收過程中沒有檢測到 EOF，那么接受結(jié)束后將 EOF 全部置為 0，表

34、示接收錯誤時，停止接收數(shù)據(jù)以及 CRC校驗。CRC 校驗即循環(huán)冗余校驗是基于使用模計算的多項式處理方式，在光纖通道中使用 32 位并行 CRC 校驗。檢測到 SOF 后，判斷出幀數(shù)據(jù)中是否有 CRC 字段，將檢測出的 CRC 字段移除，只需要將針數(shù)據(jù)中的幀頭和數(shù)據(jù)字段交給主機處理。發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)可以是鏈路數(shù)據(jù)幀也可以是鏈路控制幀15。發(fā)送一個幀時，先從幀發(fā)送 FIFO 中幀狀態(tài)字，根據(jù) SOF 類型字段確定 SOF 的 32bit 編碼并發(fā)送；根據(jù)幀狀態(tài)字中從幀發(fā)送 FIFO 中讀出幀頭和數(shù)據(jù)字段發(fā)送，在這同時，進行 CRC 計算和游程值計算，讀完后，停止 CRC 計算，將結(jié)果寫入 CRC

35、字段并發(fā)送；最后，根據(jù)計算得到的游程值和幀狀態(tài)字中的 EOF 類型字段確定 EOF 的 32bit 編碼并發(fā)送。這里，游程值的不同也將選用不同的編碼。這一個過程包含了 CRC 校驗過程，由于在每次校驗的時候需要保持初始值的相同，因此，在每次新的校驗之前需要對 CRC 進行復位16。3.3 小結(jié)本章通過對光纖通道接口協(xié)議進一步分析，提出了硬件設(shè)計方案。通過闡明接口結(jié)構(gòu)和邏輯實現(xiàn)過程，選擇了合適的硬件構(gòu)建硬件；通過對接口邏輯的一步步闡明，逐漸提出了設(shè)計思路，提出了接收發(fā)模塊的設(shè)計方法，完成了FC-0 層、FC-1 層以及部分FC-2 層的功能。第四章 設(shè)計驗證本文設(shè)計的光纖接口主要目的是通過軟硬件

36、的結(jié)合實現(xiàn) FC-0、FC-1 和部分FC-2 層的功能，因此主要驗證設(shè)計模塊能否滿足這些功能的需求，即正確實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、信號檢測、8B/10B 編等。具體操作過程則是通過 Quartus 9.0 仿實現(xiàn)17。真4.1 鏈路初始化1.8B/10B 編碼4.2 接收模塊4.3 發(fā)送模塊4.4 小結(jié)第五章 總結(jié)5.1 結(jié)論通過對光纖通道協(xié)議的深入分析和理解，本文完成了光纖通道數(shù)據(jù)接口關(guān)鍵技術(shù)的研究，并設(shè)計開發(fā)了接口卡；根據(jù)協(xié)議要求分析出邏輯結(jié)構(gòu)，通過明確整個流程，將它分為四個主要的模塊，分別是：發(fā)送模塊、接收模塊、控制模塊以及鏈路初始化模塊，然而，本文由于篇幅問題，只設(shè)計了兩個模塊，即發(fā)送模塊與接

37、收模塊。通過分析兩個模塊的主要功能，選擇了合適的基于 FPGA 硬件，通過結(jié)Quartus 9.0 仿真結(jié)果，完成了底層邏輯設(shè)計，較好的實現(xiàn)了FC-0 層、合FC-1 層以及部分 FC-2 層功能，即實現(xiàn)了光纖通道數(shù)據(jù)接口的功能，完成了設(shè)計要求。全文的工作如下：1. 分析了光纖通道在當前主要流行應用第四代先進綜合式航空電子系統(tǒng)和區(qū)域網(wǎng)SAN 這兩個領(lǐng)域中的優(yōu)勢，介紹了光纖通道的在這兩個領(lǐng)域的具體應用，了研究光纖通道技術(shù)的重要性。2. 分析光纖通道協(xié)議，介紹了它的五層協(xié)議模型以及各層次的功能。這里只需要設(shè)計FC-0 層、FC-1 層以及部分FC-2 的功能，因此深入分析了這幾層功能，分析了光纖通

38、道中幀的組成和原語系列等。3. 闡明了光纖通道接口的重要性，在分析其邏輯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)計方案，具體設(shè)計了接收發(fā)模塊，說明了模塊的具體功能，對其流程作了詳細的闡述。4. 選擇了開發(fā)為 Altera 推出的Stratix GX 開發(fā)板，同時結(jié)合 Quartus 9.0 進行模塊設(shè)計結(jié)果。這次的設(shè)計已完成了接收模塊與發(fā)送模塊的功能，從時序仿真結(jié)果可以看出這次的設(shè)計是成功的設(shè)計。5.2 進一步工作這次設(shè)計過程總體來說是成功的，但是仍然有很多缺陷，如在光纖通道底層數(shù)據(jù)通道中，完整功能包括數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收、PCIe 硬核控制以及鏈路初始化，這樣才能達到鏈路的有序貫通。而本文并沒有深入涉及到控制模塊，這一模塊本文直接采用了他人的研究成果，在接下來的研究中需要進一步深入了解。同時，隨著光線技術(shù)的不斷發(fā)展，其傳輸速率也不斷在提高，所使用的元件從材料尺寸到大小都將不斷發(fā)展改善，這就給帶來了新的，也將促進進一步研究優(yōu)化硬件模塊，以適應潮流發(fā)展。致謝本文主要是在相征老師和學長的精心指導下完成的。從選題到的結(jié)構(gòu)再到表述規(guī)范，相老師就給予了悉心的指導，他指導我如何從浩瀚文獻中準確找到我需要的參考資料，指導我如何開展研究工作。感謝學長在設(shè)計方