航空
電子系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,正在經(jīng)歷從模擬化向數(shù)字化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(diào)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(jié)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(jīng)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(zhuǎn)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(jié)構如圖4所示,包括
IEEE1394信號源,基于
FPGA的1394-FC協(xié)議轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換
模塊和串并與并串轉(zhuǎn)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://3xchallenge.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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)寄存器,以減小片內(nèi)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(nèi)部的功能
模塊進行調(diào)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(nèi)部偽隨機序列的選擇功能。
FPGA內(nèi)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(chǎn)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(diào)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(jīng)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(jié)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(jié)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(jīng)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(jié)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(jié)果。
4 結(jié)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(zhuǎn)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(diào)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。